Pour la première fois, les chercheurs ont documenté l'occurrence depuis longtemps prévue de « parois liées par des cordes » dans l'hélium-3 superfluide. L'existence d'un tel objet, initialement prévu par les théoriciens de la cosmologie, peut aider à expliquer comment l'univers s'est refroidi après le Big Bang. Avec la nouvelle capacité de recréer ces structures en laboratoire, les scientifiques terrestres ont enfin un moyen d'étudier de plus près certains des scénarios possibles qui auraient pu se produire dans l'univers primitif.

Les résultats, à paraître le 16 janvier dans Communication Nature , est venu après deux transitions de phase successives de rupture de symétrie au laboratoire à basse température de l'Université Aalto.

L'hélium reste un liquide à la pression atmosphérique même lorsqu'il est refroidi au zéro absolu, à laquelle tous les autres matériaux se solidifient. Non seulement l'hélium reste fluide à des températures cryogéniques, mais il devient superfluide à une température suffisamment basse. Un matériau superfluide a une viscosité essentiellement nulle, ce qui signifie qu'il devrait couler pour toujours sans perdre d'énergie.

Lorsqu'il est confiné à un volume nano-structuré, les chercheurs peuvent utiliser les phases superfluides de l'isotope hélium-3 pour étudier des effets tels que des tourbillons semi-quantiques, des tourbillons dans le superfluide où la quantité d'hélium circulant est strictement contrôlée par les règles de la physique quantique.

"Au départ, nous pensions que les tourbillons semi-quantiques disparaîtraient lorsque nous abaisserions la température. Il s'avère qu'ils [les tourbillons semi-quantiques] survivent en fait lorsque l'échantillon d'hélium-3 est refroidi en dessous d'un demi-millikelvin - à la place, un mur non topologique apparaît, " dit Jere Mäkinen, auteur principal de l'étude et doctorant à l'Université Aalto.

Bien qu'il ne s'agisse pas de murs physiques, qui bloquerait le flux, les parois non topologiques modifient les propriétés magnétiques de l'hélium. Les chercheurs ont pu détecter les changements en utilisant la résonance magnétique nucléaire.

Dans les premières microsecondes après le Big Bang, certains cosmologistes pensent que l'univers entier a connu des transitions de phase qui brisent la symétrie, comme un superfluide à l'intérieur d'un volume nano-structuré lorsqu'il est refroidi. La théorie veut que les fluctuations quantiques ou les défauts topologiques, comme les murs de domaine et les vortex quantiques, dans l'univers ultra-condensé ont été figés sur place au fur et à mesure que l'univers s'étendait. Avec le temps, ces fluctuations gelées sont devenues les galaxies que nous voyons, et habiter, aujourd'hui. Être capable de créer ces objets en laboratoire peut nous permettre de mieux comprendre l'univers et pourquoi il s'est formé de cette manière.

En prime, la structure de ces défauts ressemblant à des ouragans créés par Mäkinen en laboratoire fournit également un modèle potentiel pour l'étude de l'informatique quantique topologique.

« Alors que l'hélium-3 liquide serait trop dur et coûteux à entretenir en tant que matériau pour un ordinateur en état de marche, cela nous donne un modèle de travail pour étudier des phénomènes qui pourraient être utilisés dans de futurs matériaux plus accessibles, " il dit.

Professeur émérite Grigori Volovik, co-auteur de la nouvelle étude, prédit pour la première fois des tourbillons semi-quantiques avec V. P. Mineev dans les années 1970. Ils ont d'abord été observés dans l'hélium superfluide, dans le laboratoire basse température Aalto, en 2016.