Une équipe de physiciens dirigée par Francesca Ferlaino de l’Université d’Innsbruck vient de réaliser une avancée remarquable dans le domaine de la physique quantique. Pour la première fois, ils ont observé des vortex quantiques dans un supersolide, confirmant ainsi une propriété fondamentale de la superfluidité dans cette forme exotique de la matière. Cette découverte, publiée dans la prestigieuse revue Nature, marque une étape cruciale dans notre compréhension des états quantiques de la matière.
Un état paradoxal de la matière
Les supersolides représentent l’une des formes les plus énigmatiques de la matière quantique. Prédits théoriquement il y a plus de 50 ans, ces états de la matière défient notre intuition en combinant des propriétés apparemment contradictoires : ils se comportent simultanément comme un solide et comme un superfluide. Comme l’explique la Pr. Ferlaino, « C’est un peu comme le chat de Schrödinger, qui est à la fois vivant et mort, un supersolide est à la fois rigide et liquide. »
Cette dualité paradoxale n’a pu être observée que récemment, grâce aux avancées technologiques permettant de créer des gaz quantiques ultrafroids dipolaires. Si la structure cristalline, responsable de la nature « solide » des supersolides, avait déjà été imagée directement, les propriétés superfluides restaient plus difficiles à mettre en évidence de manière concluante.
Une expérience complexe et minutieuse
L’équipe d’Innsbruck avait déjà réalisé une première mondiale en 2021 en créant le premier supersolide bidimensionnel à longue durée de vie dans un gaz ultrafroid d’atomes d’erbium. Cependant, l’observation des vortex quantiques représentait un défi encore plus grand. Eva Casotti, auteure principale de l’étude, souligne la difficulté particulière de cette nouvelle étape : faire tourner le supersolide sans détruire son état fragile nécessitait une précision extraordinaire.
Les chercheurs ont utilisé des champs magnétiques pour faire tourner délicatement le supersolide. Cette manipulation a permis d’observer l’apparition de vortex quantiques, une caractéristique distinctive de la superfluidité. En effet, contrairement aux liquides ordinaires, les superfluides ne tournent pas de manière rigide mais forment ces structures tourbillonnaires quantifiées.
Des implications théoriques et pratiques majeures
Cette découverte va bien au-delà d’une simple confirmation expérimentale. L’étude, qui a nécessité près d’un an de travail, a révélé des différences significatives entre la dynamique des vortex dans les supersolides et celle observée dans les fluides quantiques non modulés. Ces observations apportent un éclairage nouveau sur la coexistence et l’interaction entre les caractéristiques superfluides et solides dans ces états quantiques exotiques.
Les implications de cette découverte s’étendent bien au-delà du laboratoire. Comme l’explique Thomas Bland, qui a dirigé le développement théorique du projet, cette percée ouvre la voie à l’étude des propriétés hydrodynamiques de systèmes quantiques exotiques présentant de multiples symétries brisées, comme les cristaux quantiques et même les étoiles à neutrons.
Une plateforme pour simuler des phénomènes astrophysiques
L’une des applications les plus fascinantes de cette découverte concerne l’astrophysique. Les chercheurs suggèrent que leur plateforme expérimentale pourrait permettre de simuler des phénomènes qui se produisent dans les étoiles à neutrons. Par exemple, les « glitches » – des changements soudains dans la vitesse de rotation de ces étoiles – sont supposés être causés par des vortex superfluides piégés à l’intérieur de l’étoile. Cette nouvelle configuration expérimentale offre la possibilité d’étudier ces phénomènes sur Terre.
De plus, les vortex superfluides sont également supposés exister dans les supraconducteurs, des matériaux capables de conduire l’électricité sans perte. La compréhension approfondie de ces structures pourrait donc avoir des implications importantes pour le développement de technologies basées sur la supraconductivité.
Perspectives
Cette découverte représente une étape cruciale dans notre compréhension des états quantiques de la matière. Comme le souligne la Pr. Ferlaino, elle ouvre la voie à l’exploration de nouvelles physiques et permet d’observer en laboratoire des phénomènes qui ne se produisent naturellement que dans des conditions extrêmes, comme dans les étoiles à neutrons.
La capacité à créer et à manipuler des supersolides, tout en observant leurs propriétés quantiques fondamentales, marque un progrès significatif dans notre maîtrise des états quantiques de la matière. Cette avancée promet non seulement d’enrichir notre compréhension théorique de la physique quantique, mais également d’ouvrir la voie à de nouvelles applications technologiques dans des domaines allant de la supraconductivité à la simulation quantique.
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