En 1969, des physiciens russes avaient prédit l’existence d’un état exotique baptisé « état supersolide » et dans lequel la matière se comporterait à la fois comme un solide cristallin et comme un fluide parfait. Aujourd’hui, deux équipes de chercheurs semblent avoir atteint ce graal.
Solide, liquide, gazeux : ce sont, nous enseigne-t-on à l’école, les trois états dans lesquels on peut trouver la matière. Toutefois, à des températures proches du zéro absolu, la physique classique est mise en difficulté. Il peut alors survenir des phénomènes étonnants. La théorie prédit ainsi que d’autres états de la matière peuvent émerger. Pour la première fois, une équipe de physiciens du Massachusetts Institute of Technology (MIT, aux États-Unis) et une autre équipe, de l’École polytechnique de Zurich (ETH, en Suisse), sont, de manière indépendante, parvenues à atteindre expérimentalement un état supersolide.
De quoi s’agit-il ? En 1969, deux physiciens russes, Alexander Andreev et Ilya Liftshitz, avaient prédit un état quantique de la matière qualifié de « supersolide ». Dans un solide, les atomes sont fortement liés les uns aux autres. De quoi donner au solide une forme et un volume définis. Dans un liquide, les liaisons sont plus faibles. Pour un liquide, pas de forme propre donc, mais un volume bien défini tout de même. Un supersolide correspond à un cristal (un solide donc) qui présente les propriétés d’un superfluide (un liquide parfait donc).
À plusieurs reprises depuis le début des années 2000, des équipes de chercheurs ont annoncé avoir obtenu cet état de la matière, mais les preuves manquaient encore. Pourquoi un tel engouement pour cet état ? Parce qu’il va nous permettre d’améliorer notre connaissance de la nature profonde de la matière. Toutefois, même si, cette fois, un supersolide semble effectivement avoir été créé, celui-ci reste confiné dans une chambre sous vide et dans un environnement ultra-froid.
Illustration d’un état supersolide dans lequel les propriétés d’un superfluide et celles d’un solide cristallin coexistent. (Source : ETH Zurich)
L’équipe du MIT et celle de l’ETH ont employé des techniques différentes pour arriver à leurs fins. Cependant, elles sont parties d’un même point de départ : un condensat de Bose-Einstein, c’est-à-dire un état dans lequel les atomes perdent leur individualité. Apparaissent alors des propriétés de superfluidité. « Remuez un café superfluide et celui-ci tournera pour toujours », explique Wolfgang Ketterle, professeur de physique au MIT et prix Nobel de physique en 2001 pour ses travaux sur le comportement des condensats de Bose-Einstein.
L’équipe dirigée par Wolfgang Ketterle a utilisé une combinaison de méthodes de refroidissement par laser et de méthodes de refroidissement par évaporation pour refroidir des atomes de sodium à quelques nanokelvins. À l’aide de lasers, toujours, les physiciens ont ensuite introduit un couplage spin-orbite et joué sur les états quantiques des atomes pour créer un mélange de deux condensats et une modulation de densité caractéristique d’un supersolide.
L’équipe du professeur Tilman Esslinger a quant à elle misé sur un jeu de miroirs. Les physiciens de l’ETH ont introduit une petite quantité de rubidium gazeux dans une chambre à vide et l’ont portée à une température de quelques milliardièmes de kelvins seulement. Ils ont ensuite placé le condensat dans un dispositif constitué de deux chambres de résonance optique croisées avant de l’illuminer à l’aide d’un laser. De quoi amener les atomes du condensat à adopter une structure cristalline tout en conservant leurs propriétés de superfluidité.
Source : Futura-Sciences
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