Quand ton coeur bat, le sang coule dans vos artères par vagues de pression. Ces ondes de pression se manifestent par votre pouls, un rythme régulier non perturbé par la structure interne complexe du corps. Les scientifiques appellent ces ondes robustes des solitons, et à bien des égards, ils se comportent plus comme des particules discrètes que comme des ondes. La théorie des solitons peut aider à comprendre les tsunamis, qui, contrairement à d'autres vagues d'eau, peuvent se maintenir sur de vastes distances océaniques.

Les solitons peuvent également survenir dans le monde quantique. À la plupart des températures, les atomes de gaz rebondissent comme des boules de billard, se heurtant les uns les autres et s'envolant dans des directions aléatoires, suivant les règles de la physique classique. Près du zéro absolu, cependant, certains types d'atomes se mettent soudain à se comporter selon les règles très différentes de la mécanique quantique, et commencer une sorte de danse coordonnée. Dans des conditions vierges, des solitons peuvent émerger à l'intérieur de ces fluides quantiques ultrafroids, survivre pendant plusieurs secondes.

Curieux de savoir comment les solitons se comportent dans des conditions moins que parfaites, scientifiques du laboratoire de mesures physiques du NIST, en collaboration avec des chercheurs du Joint Quantum Institute (JQI), ont ajouté du stress à la vie d'un soliton. Ils ont commencé par refroidir un nuage d'atomes de rubidium. Juste avant que le gaz puisse acquérir des propriétés uniformes et devenir un fluide quantique homogène, un champ magnétique radiofréquence a amené une poignée de ces atomes à conserver leur classique, état de boule de billard. Ces atomes sont, en effet, « impuretés » dans le mélange atomique. Les scientifiques ont ensuite utilisé la lumière laser pour séparer les atomes dans une région du fluide, créant une vague solitaire de faible densité, un soliton "sombre".

En l'absence d'impuretés, cette région de faible densité pulse de manière stable à travers le fluide ultrafroid. Mais lorsque des impuretés atomiques sont présentes, le soliton sombre se comporte comme s'il s'agissait d'une particule lourde, avec des atomes d'impuretés légers rebondissant dessus. Ces collisions rendent le mouvement du soliton sombre plus aléatoire. Cet effet rappelle les prédictions d'Einstein de 1905 sur le mouvement aléatoire des particules, appelé mouvement brownien.

Guidé par ce cadre, les scientifiques s'attendaient également à ce que les impuretés agissent comme une friction et ralentissent le soliton. Mais étonnamment, les solitons sombres ne suivent pas complètement les règles d'Einstein. Au lieu de traîner le soliton, les collisions l'ont accéléré jusqu'à un point de déstabilisation. La vitesse limite du soliton est définie par la vitesse du son dans le fluide quantique, et en dépassant cette limite, il a explosé en une bouffée d'ondes sonores.

Ce comportement n'a eu de sens qu'après que les chercheurs aient changé leur perspective mathématique et se soient souvenus de traiter le soliton comme s'il avait une masse négative. Il s'agit d'un phénomène bizarre qui se produit pour certains comportements collectifs de systèmes à plusieurs particules. Ici, la masse négative se manifeste par l'obscurité du soliton :il s'agit d'un creux dans le fluide quantique plutôt que d'une grande impulsion semblable à un tsunami. Les particules de masse négative répondent aux forces de friction opposées à leurs cousines ordinaires, accélérer au lieu de ralentir.

"Toutes ces hypothèses sur le mouvement brownien ont fini par disparaître. Rien de tout cela ne s'appliquait, " dit Hilary Hurst, un étudiant diplômé à JQI et théoricien principal sur le papier. "Mais à la fin, nous avions une théorie qui décrivait très bien ce comportement, ce qui est vraiment sympa."

Lauren Aycock, auteur principal sur le papier, a salué ce qu'elle considérait comme une rétroaction particulièrement forte entre la théorie et l'expérience, ajoutant que « c'est satisfaisant d'avoir ce genre de collaboration fructueuse, où la mesure informe la théorie, ce qui explique alors les résultats expérimentaux.

Les solitons au pays des atomes ultrafroids intriguent, disent Aycock et Hurst, car ils sont aussi proches que possible de l'observation de l'interface entre les effets quantiques et la physique ordinaire de la vie quotidienne. Des expériences comme celle-ci peuvent aider à répondre à une énigme physique profonde :où est la frontière entre classique et quantique ? En outre, ce résultat peut éclairer un problème similaire avec les solitons dans les fibres optiques, où le bruit aléatoire peut perturber le timing précis nécessaire à la communication sur de longues distances.