Saut Quantique : Des physiciens réalisent pour la première fois une transition réversible du superfluide au supersolide

États-Unis - Agence de presse Ekhbary

Saut Quantique : Des physiciens réalisent pour la première fois une transition réversible du superfluide au supersolide

Dans une avancée révolutionnaire qui repousse les limites de la mécanique quantique et de la physique de la matière condensée, une équipe internationale de physiciens a réussi à observer une transition de phase réversible d'un état superfluide à un état supersolide, et inversement. Cet exploit sans précédent, détaillé dans une étude récente publiée dans la prestigieuse revue Nature le 28 janvier, marque la première fois qu'une telle transformation naturelle et réversible est observée, impliquant spécifiquement un type de quasiparticule connu sous le nom d'excitons. Cette découverte ouvre des voies entièrement nouvelles pour comprendre et manipuler les états exotiques de la matière dans des conditions extrêmes, potentiellement révolutionnant des domaines allant de l'informatique quantique à la recherche fondamentale en physique.

La percée de l'équipe de recherche est centrée sur les excitons, de fascinantes quasiparticules formées lorsqu'un électron et un trou d'électron sont liés ensemble. En contrôlant méticuleusement les conditions environnementales, les scientifiques ont pu guider ces excitons à travers une séquence de changements de phase qui défient la compréhension conventionnelle de la matière. Bien que l'existence des superfluides et des supersolides ait été théorisée et, dans certains cas, créée expérimentalement, la capacité d'induire une transition spontanée et réversible entre ces deux états très inhabituels représente un bond en avant significatif. C'est comme observer l'eau geler spontanément en glace puis fondre à nouveau en liquide, mais au niveau quantique avec des propriétés beaucoup plus complexes.

Pour apprécier l'ampleur de cette découverte, il est essentiel de comprendre les superfluides et les supersolides. Les superfluides sont un état de la matière qui apparaît lorsque certaines particules, telles que les isotopes d'hélium ou les excitons, sont refroidies à des températures juste au-dessus du zéro absolu – le point où tout mouvement atomique cesse. Contrairement aux liquides conventionnels, les superfluides présentent une viscosité nulle, ce qui signifie qu'ils peuvent s'écouler sans aucune résistance due au frottement. Lorsqu'ils sont agités, ils forment des vortex microscopiques persistants appelés vortex quantiques, un témoignage de leurs propriétés mécaniques quantiques particulières. Ce sont, en substance, des liquides sans frottement capables de défier apparemment la gravité et de s'écouler indéfiniment.

Les supersolides, en revanche, sont un état de la matière encore plus énigmatique. Théorisés pour exister lorsque les superfluides sont refroidis encore plus, ils possèdent le flux sans frottement caractéristique des superfluides, mais présentent également une structure rigide et ordonnée, très similaire à un réseau cristallin. Imaginez un matériau qui est à la fois un fluide parfait et un cristal parfait simultanément – un concept qui défie l'intuition. Avant cette étude, des supersolides avaient été créés en laboratoire, notamment avec des atomes de dysprosium en 2021 et par l'observation de vortex quantiques dans un supersolide en 2024. Cependant, ces expériences précédentes s'appuyaient généralement sur des équipements et de l'énergie externes pour forcer les particules à s'organiser en un réseau ordonné, imposant ainsi l'état supersolide. La nouvelle recherche se distingue en démontrant une transition de phase naturelle et spontanée.

« Pour la première fois, nous avons vu un superfluide subir une transition de phase pour devenir ce qui semble être un supersolide », a déclaré Cory Dean, physicien à l'Université de Columbia et co-auteur de l'étude fondamentale. Cette observation est cruciale car elle suggère un mécanisme fondamental pour la formation de supersolides qui ne nécessite pas d'échafaudage externe, validant des prédictions théoriques de longue date.

Le montage expérimental impliquait une conception remarquablement simple mais ingénieuse. Les chercheurs ont placé deux feuilles ultra-minces de graphène – un matériau composé d'une seule couche d'atomes de carbone – à une très grande proximité. Un puissant champ magnétique a ensuite été appliqué, et l'ensemble du système a été refroidi pour créer une « soupe » d'excitons. Lorsque la température a été précisément abaissée entre 2,7 et 7,2 degrés Fahrenheit (1,5 à 4 degrés Celsius) au-dessus du zéro absolu, les excitons ont coalescé en un superfluide. De manière cruciale, lorsque le système a été refroidi encore plus, les excitons se sont transformés en une nouvelle phase mystérieuse et électriquement isolante, que l'équipe de recherche soupçonne fortement d'être l'état supersolide théorisé. La capacité d'inverser ce processus en réchauffant légèrement le système a encore renforcé leurs conclusions.

Cette découverte a des implications profondes pour la physique fondamentale. Elle fournit une plateforme robuste pour étudier l'interaction entre la mécanique quantique, la thermodynamique et la structure des matériaux dans des environnements extrêmes. De plus, comprendre comment ces états exotiques transitionnent naturellement pourrait ouvrir la voie à de nouvelles applications technologiques. Par exemple, le flux sans frottement des superfluides et des supersolides pourrait inspirer de nouvelles approches pour la transmission d'énergie ou l'informatique quantique, où la minimisation de la dissipation est primordiale. La nature naturelle et réversible de cette transition offre une nouvelle lentille à travers laquelle les scientifiques peuvent explorer les paysages complexes de la matière quantique, révélant potentiellement des phénomènes et des propriétés entièrement nouveaux, encore inimaginables.

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