Vue artistique d'une gouttelette de liquide quantique formée en mélangeant deux gaz d'atomes de potassium ultrafroids. Crédit :ICFO/ Povarchik Studios Barcelone
Les chercheurs de l'ICFO ont créé un nouveau type de liquide 100 millions de fois plus dilué que l'eau et 1 million de fois plus fin que l'air. Les expérimentations, Publié dans Science , exploiter un effet quantique fascinant pour produire des gouttelettes de cette phase exotique de la matière.
Les liquides et les gaz sont deux phases différentes de la matière. Alors que les gaz sont dilués, compressibles et prennent la taille de leur contenant, les liquides sont denses, avoir un volume fixe et, en petites quantités, former des gouttelettes. Ce sont des ensembles de particules qui restent liées par elles-mêmes, et avoir une surface libre qui les sépare de l'environnement. En augmentant la température, il est possible d'induire une transition de phase entre liquide et gaz. C'est ce qui arrive quand on fait bouillir de l'eau dans une casserole.
Mais les gaz sont-ils toujours dilués et les liquides toujours denses ? Bien que dans des conditions normales la réponse à cette question soit oui, les choses peuvent devenir très différentes à des températures ultra-basses. Dans une étude récente publiée dans Science , Les chercheurs de l'ICFO ont créé un liquide 100 millions de fois plus dilué que l'eau et 1 million de fois plus fin que l'air.
L'équipe a refroidi un gaz d'atomes de potassium à -273,15 degrés Celsius, très proche du zéro absolu. Bien qu'à ces températures, les atomes se comportent comme des ondes et suivent les règles de la mécanique quantique, ils conservent encore une propriété intrinsèque d'un gaz :ils se dilatent en l'absence de confinement. En revanche, lorsque deux de ces gaz se mélangent et s'attirent, les atomes forment à la place des gouttelettes liquides. César Cabrera, premier auteur de l'étude, dit, "À bien des égards, nos gouttelettes de potassium ressemblent beaucoup à celles de l'eau :elles ont leur propre taille et forme, peu importe où nous les mettons, mais ils sont beaucoup plus froids et leurs propriétés sont quantiques."
Un mélange de deux gaz ultrafroids qui s'attirent peut former un liquide ultra-dilué, qui reste auto-lié dans une goutte même en l'absence de tout confinement. Crédit :ICFO
En effet, l'existence de ces gouttelettes liquides est entièrement due à des fluctuations quantiques, un effet quantique intrinsèque fascinant. Par ailleurs, grâce à la mécanique quantique, les atomes formant une goutte ne peuvent pas rester complètement au repos à l'intérieur. Ceci est interdit par le principe d'incertitude de Heisenberg. Ils restent ainsi en perpétuel mouvement, conduisant à une pression quantique qui rend les très petites gouttelettes instables et les évapore en un gaz en expansion. Le professeur Leticia Tarruell dit, « Ces gouttelettes sont des objets macroscopiques fascinants :même si elles sont constituées de milliers de particules, leur comportement est encore entièrement déterminé par les fluctuations et les corrélations quantiques. En observant la transition de phase entre liquide et gaz, nous mesurons très précisément ces effets quantiques surprenants."
La combinaison unique de dilution et de "quantité" fait des gouttelettes de liquide quantique un banc d'essai idéal pour mieux comprendre les systèmes quantiques constitués de nombreuses particules en interaction, et comprendre les caractéristiques qu'ils partagent avec l'hélium liquide, étoiles à neutrons ou autres matériaux complexes.
