Dans des expériences avec des atomes magnétiques menées à des températures extrêmement basses, les scientifiques ont mis en évidence une phase unique de la matière :les atomes forment un nouveau type de liquide quantique ou d'état de gouttelettes quantiques. Ces gouttelettes dites quantiques peuvent conserver leur forme en l'absence de confinement externe en raison des effets quantiques. L'équipe conjointe de physiciens expérimentateurs d'Innsbruck et de physiciens théoriciens de Hanovre rend compte de leurs découvertes dans la revue Examen physique X .

"Nos gouttelettes quantiques sont en phase gazeuse mais elles tombent toujours comme une roche, " explique la physicienne expérimentale Francesca Ferlaino en parlant de l'expérience fascinante. En laboratoire, son équipe a observé la formation de macrogouttelettes dans un gaz quantique. Les scientifiques ont été surpris de constater que les gouttelettes quantiques étaient maintenues ensemble presque sans intervention extérieure et uniquement par des effets quantiques. Cette découverte de l'équipe de recherche d'Innsbruck, et un travail similaire mené simultanément par un groupe de recherche de l'Université de Stuttgart travaillant avec l'élément magnétique dysprosium, ouvre un tout nouveau domaine de recherche dans le domaine des gaz quantiques ultrafroids.

Dans leur expérience, les chercheurs ont produit un condensat Bose-Einstein d'atomes d'erbium à des températures extrêmement basses dans une chambre à vide. Ils ont ensuite contrôlé l'interaction des particules en utilisant un champ magnétique externe. Les propriétés uniques des atomes magnétiques ont permis de supprimer les interactions régulières jusqu'à un degré où les corrélations quantiques sont devenues la force motrice. Avec son équipe, Ferlaino a pu prouver que les fluctuations quantiques conduisent à une répulsion efficace des particules qui fournit la tension de surface nécessaire pour stabiliser une gouttelette quantique contre l'effondrement. « Dans notre expérience, nous avons, pour la première fois, réalisé un crossover contrôlé à partir d'un condensat Bose-Einstein, qui se comporte comme un gaz superfluide, en une seule gouttelette quantique géante de type liquide de 20, 000 atomes, " explique la physicienne expérimentale et première auteure de l'étude Lauriane Chomaz. Grâce à un contrôle exquis des interactions interatomiques dans l'expérience, les physiciens ont pu prouver de manière concluante l'importance des fluctuations quantiques en comparant leurs données expérimentales avec la théorie développée par le groupe de recherche de Luis Santos à l'Université de Hanovre.

L'excellent accord entre théorie et expérience a dévoilé le rôle des fluctuations quantiques ainsi que les propriétés contre-intuitives de cette nouvelle phase de la matière, que l'on peut trouver entre les condensats gazeux de Bose-Einstein et l'hélium liquide superfluide. D'autres investigations sur cet état de gouttelettes peuvent contribuer à accroître notre connaissance de la superfluidité. A côté de l'hélium, une gouttelette quantique est le seul système superfluide de type liquide connu. Les gaz quantiques ultrafroids offrent une plate-forme unique et parfaite pour étudier ce phénomène en raison de leur grande pureté et accordabilité. À long terme, cette phase de la matière pourrait conduire à de nouvelles perspectives pertinentes pour les études de la supersolidité, qui est de la matière condensée superfluide.