Lorsque la matière est refroidie à près du zéro absolu, des phénomènes intrigants émergent. Ceux-ci incluent la supersolidité, où la structure cristalline et l'écoulement sans friction se produisent ensemble. Des chercheurs de l'ETH ont réussi à réaliser expérimentalement cet état étrange pour la première fois.

Solide, liquide ou gazeux sont les trois états clairement définis de la matière. Il est difficile d'imaginer que des substances puissent présenter simultanément les propriétés de deux de ces états. Encore, précisément un tel phénomène est possible dans le domaine de la physique quantique, où la matière peut afficher des comportements qui semblent s'exclure mutuellement.

La supersolidité est un exemple d'un tel état paradoxal. Dans un supersolide, les atomes sont disposés en un motif cristallin tout en se comportant comme un superfluide, dans lequel les particules se déplacent sans frottement.

Jusqu'à maintenant, la supersolidité n'était qu'une construction théorique. Mais dans le dernier numéro de La nature , un groupe de chercheurs dirigé par Tilman Esslinger, professeur d'optique quantique à l'Institute for Quantum Electronics, et Tobias Donner, scientifique senior du même institut, rapportent la production réussie d'un état supersolide.

Les chercheurs ont introduit une petite quantité de rubidium gazeux dans une chambre à vide et l'ont refroidie à une température de quelques milliardièmes de kelvin au-dessus du zéro absolu, de telle sorte que les atomes se sont condensés en ce qu'on appelle un condensat de Bose-Einstein. Il s'agit d'un état de mécanique quantique particulier qui se comporte comme un superfluide.

Les chercheurs ont placé ce condensat dans un dispositif avec deux chambres de résonance optique se croisant, chacun composé de deux minuscules miroirs opposés. Le condensat a ensuite été illuminé avec une lumière laser, qui a été dispersé dans ces deux chambres. La combinaison de ces deux champs lumineux dans les chambres de résonance a amené les atomes dans le condensat à adopter une régularité, structure cristalline. Le condensat a conservé ses propriétés superfluides - les atomes dans le condensat étaient toujours capables de s'écouler sans aucun apport d'énergie, au moins dans un sens, ce qui n'est pas possible dans un solide "normal".

"Nous avons pu produire cet état particulier en laboratoire grâce à un montage sophistiqué qui nous a permis de rendre les deux chambres de résonance identiques pour les atomes, " explique Esslinger.

Du concept théorique à la réalité expérimentale

Avec leur expérience, les physiciens de l'équipe d'Esslinger et Donner ont réalisé un concept théorisé par des scientifiques dont le physicien britannique David Thouless. En 1969, il a postulé qu'un superfluide pouvait aussi avoir une structure cristalline. Des considérations théoriques ont conduit à la conclusion que ce phénomène pouvait être plus facilement démontré avec de l'hélium refroidi à quelques kelvins au-dessus du zéro absolu. En 2004, un groupe américain a rapporté avoir trouvé des preuves expérimentales d'un tel état, mais plus tard attribué leurs découvertes aux effets de surface de l'hélium. "Notre travail a maintenant mis en œuvre avec succès les idées de Thouless, " explique Donner. " Nous n'avons pas utilisé d'hélium, cependant, mais un condensat de Bose-Einstein."

Une seconde, étude indépendante sur le même sujet apparaît dans le même numéro de La nature :un groupe de chercheurs dirigé par Wolfgang Ketterle au MIT a annoncé l'automne dernier - peu après les chercheurs de l'ETH - qu'ils avaient également réussi à trouver des preuves de supersolidité, en utilisant une approche expérimentale différente.