Et si vous pouviez perturber l'ordre cristallin de la matière quantique afin qu'un superfluide puisse s'écouler librement même à des températures et des pressions où ce n'est généralement pas le cas ? Cette idée a été démontrée par une équipe de scientifiques dirigée par Ludwig Mathey et Andreas Hemmerich de l'Université de Hambourg.

La congélation de l'eau entraîne un changement d'une phase de la matière à une autre, appelé transition de phase. Alors que cette transition, comme d'innombrables autres qui se produisent dans la nature, se déroule généralement dans les mêmes conditions fixes - dans ce cas, le point de congélation - il peut être influencé de manière contrôlée. La transition de congélation peut être contrôlée pour produire un sorbet ou une barbotine. Pour faire une barbotine froide et rafraîchissante à la consistance parfaite, une machine à neige fondue avec des lames en rotation constante empêche les molécules d'eau de cristalliser et de transformer la neige fondue en un bloc de glace solide.

Imaginez contrôler la matière quantique de la même manière. Plutôt que de former un liquide normal, comme une gadoue fondue sous le soleil, la matière quantique peut former un superfluide. Cette forme de matière contre-intuitive a d'abord été observée dans l'hélium liquide à très basse température, moins de deux Kelvin au-dessus du zéro absolu. Les atomes d'hélium ont une forte tendance à former un cristal, comme les molécules d'eau dans une gadoue, et cela restreint l'état superfluide de l'hélium à de très basses températures et à de basses pressions.

Mais et si vous pouviez allumer les lames de votre machine à neige fondue pour la matière quantique ? Et si vous pouviez perturber l'ordre cristallin pour que le superfluide puisse s'écouler librement, même à des températures et des pressions où ce n'est généralement pas le cas ? C'était l'idée maintenant démontrée par une équipe de scientifiques dirigée par Ludwig Mathey et Andreas Hemmerich de l'Université de Hambourg. Ils ont perturbé l'ordre cristallin d'un système quantique de manière contrôlée en projetant une lumière qui oscille dans le temps à une fréquence spécifique. Les physiciens utilisent le terme « conduite » pour décrire ce type de changement périodique appliqué au système – une action effectuée par les lames de barattage dans une machine à neige fondue. Leur travail, Publié dans Lettres d'examen physique , identifié un mécanisme fondamental pour la façon dont un système typique avec des phases concurrentes répond à une conduite périodique externe.

Les chercheurs ont étudié un gaz d'atomes froids placé entre deux miroirs hautement réfléchissants. Les miroirs forment une cavité qui sert de résonateur pour les photons car les atomes les diffusent plusieurs fois avant d'être détectés dans les expériences. Pour fournir une source de photons, un faisceau laser de pompe externe est dirigé vers le nuage d'atomes.

Semblable à l'eau changeant sa phase de liquide à glace, ce système lumière-matière présente une transition de phase quantique. Les atomes d'un gaz initialement homogène s'organisent spontanément en damier lorsque l'intensité du faisceau de pompage devient suffisamment forte. L'auto-organisation se fait au détriment du superfluide, qui est supprimé par l'ordre cristallin. C'est l'un des nombreux exemples de nature de la concurrence dans laquelle une phase l'emporte sur l'autre. Les chercheurs montrent qu'avec un peu de « dynamisme, " vous pouvez faire pencher la balance en faveur de l'outsider - dans cet exemple, la phase superfluide. "Nous observons à partir de nos simulations informatiques qu'une modulation périodique de l'intensité de la pompe peut déstabiliser la phase auto-organisée dominante, " explique l'auteur principal Jayson Cosme. " Cela permet à la phase homogène auparavant instable de réapparaître et cela restaure le superfluide. C'est de la superfluidité induite par la lumière."

Les scientifiques ont ensuite observé leur prédiction dans une expérience menée dans le groupe d'Andreas Hemmerich. "Intuitivement, on pourrait s'attendre à ce que si nous ébranlons le système, il ne fait que chauffer. Il était intriguant de voir une signature claire du fluide quantique réémerger, " explique Andreas Hemmerich.

L'amélioration ou la suppression d'une phase due à une force motrice externe a également été suggérée dans d'autres systèmes physiques. Par exemple, dans les supraconducteurs à haute température, les impulsions laser peuvent faire fondre l'ordre rayé dominant d'équilibre, ouvrant la voie à l'émergence de la supraconductivité, un phénomène appelé supraconductivité induite par la lumière. Le mécanisme fondamental qui peut aider à expliquer ce processus est encore un sujet de débat. "Nous avons proposé ce type de contrôle de la lumière de la superfluidité pour démontrer le principe qui a été émis pour la supraconductivité induite par la lumière, " explique Ludwig Mathey. Fort de ce constat, la physique des atomes froids démontre un général, mécanisme contre-intuitif de contrôle des transitions de phase dans les systèmes à plusieurs corps. Il ouvre un nouveau chapitre de la physique du solide dans lequel les scientifiques mesurent non seulement les propriétés d'équilibre de la matière, mais plutôt concevoir un état de non-équilibre avec les propriétés souhaitées via le contrôle de la lumière.