Comme vous l’avez sans doute appris, la matière existe dans seulement quatre états simples : solide, liquide, gazeux et plasma. Ces états apparaissent en fonction de conditions spécifiques comme la température et la pression et sont définis par la disposition des particules dans la matière.

Mais il y a plus de 50 ans de cela, des théoriciens russes ont prédit qu’un 5e état pourrait exister, la supersolidité : une matière (supersolide) qui présente en même temps des propriétés liquides et solides. Jusqu’à maintenant, personne n’a été capable de le démontrer. Et bien récemment, deux équipes indépendantes de chercheurs affirment à quelques jours près avoir réussi, en utilisant des techniques différentes, à obtenir le même résultat, des supersolides.

Dans l’état supersolide de la matière, les particules sont disposées dans une structure rigide et solide, mais elles peuvent également s’écouler sans viscosité, sans résistance ou “adhérence”, la caractéristique clé d’un superfluide.

Image d’entête : Illustration d’un état supersolide, dans lequel les propriétés d’un fluide sans friction et un état cristallin coïncident. (ETH Zurich / Julian Léonard)

Selon Wolfgang Ketterle du MIT qui a dirigé l’une des équipes à l’origine de la découverte :

Il est contre-intuitif d’avoir un matériau qui combine la superfluidité et la solidité.

Si votre café était superfluide et que vous l’agitiez, il continuerait à tourner pour toujours.

Leur résultats seront certainement sujet à controverse, comme ce fut le cas pour une expérience menée en 2004 par des chercheurs de l’Université d’État de Pennsylvanie qui ont refroidi de l’hélium à moins d’un dixième de degré au-dessus du zéro absolu (autour de -273 °C) et ont estimé avoir produit ce qui aurait pu être un état supersolide. Mais plusieurs expériences ont démenti leurs résultats en montrant que l’hélium-4 présente un type de plasticité quantique dans certaines situations, qui n’est pas causé par la supersolidité.

C’est en novembre, que l’équipe du MIT à Cambridge, au Massachusetts et celle de l’ETH Zurich en Suisse, qui travaillaient chacun de leur côté, ont déclaré leur trouvaille et il aura fallu attendre jusqu’à maintenant pour que leurs travaux soient vérifiés avant d’être publiées (évaluation par les pairs). Elles ont toutes deux utilisé un étrange type de gaz, un condensat de Bose-Einstein pour créer leurs supersolides avec des procédés différents.

Les condensats de Bose-Einstein sont un cinquième état de la matière qui apparait à des températures extrêmement froides dans lesquelles les atomes se comportent comme des ondes. Ils disposent de propriétés uniques de la mécanique quantique à une échelle macroscopique et ce qui est pas mal avec l’utilisation d’un condensat de Bose-Einstein pour créer un supersolide, c’est que c’est déjà un superfluide.

Les équipes, avec des techniques légèrement différentes, ont utilisé ces gaz ultra-froids pour les entrainer dans une phase quantique de la matière avec une structure rigide comme un solide tout en ayant la capacité de couler comme un superfluide.

Les chercheurs suisses ont pu y parvenir en plaçant une petite quantité de gaz rubidium dans une chambre à vide, où ils l’ont refroidi à quelques milliardièmes de kelvin autour du zéro absolu, ce qui l’a amené à former un condensat de Bose-Einstein. Ils ont ensuite placé ce condensat dans un appareil avec deux chambres de résonance optique, chacune constituée de deux minuscules miroirs opposés. En utilisant des lasers, les particules ont finalement adopté une structure régulière cristalline, typique d’un solide. Mais le condensat a également conservé ses propriétés de superfluides, s’écoulant sans aucun n’ajout d’énergie.

L’équipe du MIT a adopté une approche différente, ils ont utilisé une combinaison de méthodes de refroidissement par laser et par évaporation pour transformer des atomes de sodium en un condensat de Bose-Einstein. Ils ont ensuite utilisé des lasers pour lui donner une structure cristalline solide en créant des variations de densité dans les atomes.

Même si le processus est différent, le résultat final fut le même que celui de l’équipe suisse : une matière solide qui coulait comme un superfluide.

Il est probable qu’il y aura maintenant une nouvelle série de tests indépendants et de vérification, pour s’assurer que ce qui a été produit peut vraiment être appelé un supersolide.

Pour notre vie de tous les jours, ce nouvel état de la matière ne nous sera pas très utile pour le moment, notamment parce qu’ils ne peuvent exister qu’à des températures extrêmement basses et dans des conditions de très grand vide. Mais une meilleure compréhension de cet état de la matière pourrait notamment conduire à des améliorations des supraconducteurs, des matériaux incroyablement utiles qui conduisent l’électricité sans résistance (pas de perte…).

Les résultats de l’équipe du MIT publiés dans Nature : A stripe phase with supersolid properties in spin–orbit-coupled Bose–Einstein condensates et ceux de l’équipe de l’ETH Zurich : Supersolid formation in a quantum gas breaking a continuous translational symmetry.

L’annonce sur le site de l’ETH Zurich : Crystalline and liquid at the same time et sur le site du MIT : MIT researchers create new form of matter.