Des chercheurs révèlent l’existence d’un gaz quantique supersolide bidimensionnel
Près de 50 ans après que les scientifiques ont imaginé à quoi pourrait ressembler la supersolidité, un état quantique particulier dans lequel les atomes sont disposés selon un modèle uniforme tout en circulant sans frottement, des chercheurs ont démontré pour la première fois en laboratoire l’existence d’un gaz quantique supersolide bidimensionnel.
Dans un gaz décrit par la physique classique, on pourrait théoriquement étiqueter chaque atome constitutif du gaz et toujours connaître sa position et sa quantité de mouvement. Cependant, dans un gaz quantique, il est impossible de connaître ce type d’informations pour chaque particule individuellement.
À des températures relativement élevées, le modèle classique du gaz est une bonne approximation du comportement du fluide. Après tout, les ingénieurs utilisent les équations de la physique classique depuis des décennies et nos avions volent de manière agréable et prévisible, par exemple. Cependant, à des températures très basses, proches du zéro absolu, les atomes et les molécules ralentissent à vue d’œil, et le comportement du fluide est plus précisément décrit comme un gaz quantique, un comportement qui peut être assez difficile à comprendre.
Par exemple, à 0,000001 degré au-dessus du zéro absolu, les atomes sont si denses qu’ils se comportent comme un super atome, agissant à l’unisson. Les atomes peuvent former une forme exotique de matière appelée condensat de Bose-Einstein (CBE), également connue comme le cinquième état de la matière, dans lequel les atomes individuels sont complètement délocalisés. Cela signifie que le même atome existe en chaque point du condensat à un moment donné, ce qui n’a aucun sens du point de vue de la physique classique. C’est ce que c’est.
Les fluides quantiques tels que les CBE ont tendance à présenter certains comportements macroscopiques « quantiques » tels que la superfluidité (flux fluide à viscosité nulle) ou la supraconductivité (flux électrique à résistance nulle). Apparemment, il existe aussi des supersolides, des matériaux bizarres dont les atomes sont disposés en un réseau ordonné mais qui, néanmoins, s’écoulent sans friction.
En 2019, des chercheurs dirigés par Francesca Ferlaino, physicienne à l’Université d’Innsbruck en Autriche, ont démontré pour la première fois un état supersolide dans un gaz quantique ultrafroid d’atomes magnétiques. Cependant, cet essai n’a permis d’atteindre des états supersolides que dans une chaîne de gouttelettes unidimensionnelles. Aujourd’hui, les chercheurs ont repoussé les limites en étendant ce phénomène à deux dimensions.
Selon Matthew Norcia, de l’équipe de Francesca Ferlaino :
Normalement, on pourrait penser que chaque atome se trouve dans une gouttelette spécifique, sans possibilité de passer de l’une à l’autre. Cependant, dans l’état supersolide, chaque particule est délocalisée dans toutes les gouttelettes et existe simultanément dans chacune d’elles. En gros, vous avez donc un système avec une série de régions à haute densité (les gouttelettes) qui partagent toutes les mêmes atomes délocalisés.
La structure cristalline bidimensionnelle est enfermée dans une structure rigide, mais aussi en même temps délocalisée, un phénomène rendu possible par la forte polarité des atomes magnétiques ultrafroids. Ce faisant, les physiciens ont créé une structure solide dotée des propriétés d’un superfluide.
Comme toute expérience respectable de physique quantique, cette recherche ouvre plus de questions qu’elle n’apporte de réponses. Par exemple, il n’est pas certain qu’il soit possible de fabriquer des superfluides à plus grande échelle.
L’étude publiée dans Nature : Two-dimensional supersolidity in a dipolar quantum gas et présentée sur le site de l’Académie autrichienne des sciences : Supersolid in a new dimension.
