Les physiciens du MIT ont créé une nouvelle forme de matière, un supersolide, qui combine les propriétés des solides avec celles des superfluides.

En utilisant des lasers pour manipuler un gaz superfluide connu sous le nom de condensat de Bose-Einstein, l'équipe a réussi à amener le condensat dans une phase quantique de matière qui a une structure rigide - comme un solide - et peut s'écouler sans viscosité - une caractéristique clé d'un superfluide. Des études sur cette phase apparemment contradictoire de la matière pourraient donner un aperçu plus approfondi des superfluides et des supraconducteurs, qui sont importants pour l'amélioration des technologies telles que les aimants supraconducteurs et les capteurs, ainsi qu'un transport efficace de l'énergie. Les chercheurs rapportent leurs résultats cette semaine dans le journal La nature .

« Il est contre-intuitif d'avoir un matériau qui allie superfluidité et solidité, " déclare le chef d'équipe Wolfgang Ketterle, le professeur de physique John D. MacArthur au MIT. "Si votre café était superflu et que vous le remuiez, il continuerait à tourner pour toujours."

Les physiciens avaient prédit la possibilité de supersolides mais ne les avaient pas observés en laboratoire. Ils ont émis l'hypothèse que l'hélium solide pourrait devenir superfluide si les atomes d'hélium pouvaient se déplacer dans un cristal solide d'hélium, devenir effectivement un supersolide. Cependant, la preuve expérimentale est restée insaisissable.

L'équipe a utilisé une combinaison de méthodes de refroidissement laser et de refroidissement par évaporation, à l'origine co-développé par Ketterle, pour refroidir des atomes de sodium à des températures de nanokelvin. Les atomes de sodium sont appelés bosons, pour leur nombre pair de nucléons et d'électrons. Une fois refroidi à près du zéro absolu, les bosons forment un état superfluide de gaz dilué, appelé condensat de Bose-Einstein, ou BEC.

Ketterle a co-découvert les BEC, une découverte pour laquelle il a reçu le prix Nobel de physique 2001.

"Le défi était maintenant d'ajouter quelque chose au BEC pour s'assurer qu'il développe une forme ou une forme au-delà de la forme du« piège à atomes, ' qui est la caractéristique déterminante d'un solide, " explique Ketterle.

Retourner la rotation, trouver les rayures

Pour créer l'état supersolide, l'équipe a manipulé le mouvement des atomes du BEC à l'aide de faisceaux laser, l'introduction du "couplage spin-orbite".

Dans leur chambre à ultravide, l'équipe a utilisé un premier ensemble de lasers pour convertir la moitié des atomes du condensat en un état quantique différent, ou tourner, créant essentiellement un mélange de deux condensats de Bose-Einstein. Des faisceaux laser supplémentaires ont ensuite transféré des atomes entre les deux condensats, appelé un "spin flip".

"Ces lasers supplémentaires ont donné un coup de fouet supplémentaire aux atomes "à rotation inversée" pour réaliser le couplage spin-orbite, " dit Ketterle.

Les physiciens avaient prédit qu'un condensat de Bose-Einstein couplé spin-orbite serait un supersolide en raison d'une "modulation de densité" spontanée. Comme un solide cristallin, la densité d'un supersolide n'est plus constante et présente à la place un motif d'ondulation ou de vague appelé "phase de bande".

"Le plus dur a été d'observer cette modulation de densité, " dit Junru Li, un étudiant diplômé du MIT qui a travaillé sur la découverte. Cette observation a été réalisée avec un autre laser, dont le faisceau était diffracté par la modulation de densité. "La recette du supersolide est vraiment simple, " Li ajoute, "mais c'était un grand défi d'aligner avec précision tous les faisceaux laser et de tout stabiliser pour observer la phase de bande."

Cartographier ce qui est possible dans la nature

Actuellement, le supersolide n'existe qu'à des températures extrêmement basses dans des conditions d'ultravide. Aller de l'avant, l'équipe envisage de mener d'autres expériences sur les supersolides et le couplage spin-orbite, caractériser et comprendre les propriétés de la nouvelle forme de matière qu'ils ont créée.

"Avec nos atomes froids, nous cartographions ce qui est possible dans la nature, " explique Ketterle. " Maintenant que nous avons prouvé expérimentalement que les théories prédisant les supersolides sont correctes, nous espérons inspirer d'autres recherches, peut-être avec des résultats inattendus."

Plusieurs groupes de recherche travaillaient à la réalisation du premier supersolide. Dans le même numéro de La nature , un groupe en Suisse a signalé une autre façon de transformer un condensat de Bose-Einstein en un supersolide à l'aide de miroirs, qui a collecté la diffusion de la lumière laser par les atomes. "La réalisation simultanée par deux groupes montre à quel point l'intérêt est grand pour cette nouvelle forme de matière, " dit Ketterle.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.