Généralement, la matière existe sous trois formes distinctes :en tant que solide, un liquide ou un gaz. Recherches antérieures en physique, cependant, a dévoilé d'autres états curieux de la matière, dont l'un est la supersolidité. A l'état supersolide, les particules sont disposées en un cristal rigide et peuvent néanmoins s'écouler à travers le solide sans aucun frottement. Bien que cela puisse paraître contradictoire, cet état est permis par les lois de la mécanique quantique.

Une équipe de chercheurs de l'université d'Aarhus au Danemark a récemment mené une étude explorant la supersolidité dans les condensats dipolaires de Bose-Einstein (BEC), des états de la matière dans lesquels des atomes séparés refroidis jusqu'au zéro absolu s'unissent en une seule entité de mécanique quantique. Leur étude, présenté dans Lettres d'examen physique , a dévoilé un point critique auquel se produit la cristallisation, et une nouvelle phase supersolide émerge, qui se caractérise par un motif en nid d'abeille régulier avec une superfluidité presque parfaite.

"Conjecturé il y a plus de 50 ans, la supersolidité est restée insaisissable aux observations jusqu'à récemment, où une nouvelle promesse est donnée par des expériences avec des gaz très dilués d'atomes qui sont refroidis et piégés par la lumière laser à des températures proches du zéro absolu, " Thomas Pohl, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. « Dans des conditions aussi extrêmes, les atomes peuvent former collectivement un condensat dit de Bose-Einstein, qui est un état quantique qui représente un superfluide idéal sans friction. Cependant, on ne s'attendrait naturellement pas à ce qu'une telle dilution, le liquide s'écoulant librement peut cristalliser. Fasciné par la nature bizarre de l'état supersolide, nous voulions comprendre si cela pouvait néanmoins être possible si les atomes interagissaient de manière appropriée."

Au début des années 2000, les chercheurs ont proposé des condensats dipolaires de Bose Einstein formés de particules qui, comme de petits aimants, peuvent s'attirer et se repousser sur des distances importantes. Dans leur étude, Pohl et ses collègues Yongchang Zhang et Fabian Maucher ont observé que les fluctuations quantiques dans de tels condensats dipolaires peuvent conduire à une cristallisation à un point critique (c'est-à-dire, un point dans le diagramme de phases où deux phases d'une substance deviennent indiscernables).

Cela signifie essentiellement que les condensats dipolaires peuvent, En réalité, être supersolide, c'est ce que les chercheurs avaient espéré lorsqu'ils ont commencé leur enquête. leurs calculs, cependant, a donné d'autres surprises, spécifiquement liée à la façon dont le fluide quantique a cristallisé.

"Quand on met un glaçon dans un verre d'eau, il faudra un certain temps jusqu'à ce qu'il soit complètement fondu, " Zhang a dit à Phys.org. " En d'autres termes, l'eau peut coexister sous forme liquide et solide lors de sa fusion ou de sa congélation, et ce comportement est typique pour de nombreuses autres substances. À notre surprise, nous avons constaté que notre supersolide gèle d'une manière particulière, les atomes étant soit entièrement liquides, soit entièrement solides, et le fluide et le cristal deviennent virtuellement identiques au point où les deux phases se transforment sans coexistence."

Les analyses effectuées par Pohl, Zhang et Maucher ont dévoilé un nouveau type de supersolide assez différent de ce qu'ils avaient initialement prévu. Au lieu d'atomes disposés sur un réseau typique, le fluide quantique dipolaire s'est avéré former une structure de canaux en nid d'abeille.

Pourtant contrairement au miel, qui est un fluide visqueux, dans cette structure, les atomes dipolaires peuvent se déplacer librement le long des crêtes du « nid d'abeille » superfluide. Les chercheurs ont trouvé cette forme particulière de matière, dans lequel les particules peuvent circuler à travers un réseau régulier maintenu ensemble uniquement par le liquide lui-même et à une viscosité pratiquement nulle, extrêmement fascinant.

"Notre étude théorique était basée sur l'analyse et la simulation numérique de la fonction d'onde de la mécanique quantique macroscopique qui décrit l'état des atomes dipolaires dans le condensat de Bose-Einstein, " Fabien Maucher, un autre chercheur qui a mené l'étude, dit Phys.org. « Comme indiqué dans des travaux antérieurs, un aspect particulièrement important est d'inclure les corrélations de la mécanique quantique et les fluctuations quantiques dans la description. En réalité, il s'avère que le solide en nid d'abeilles et son comportement de congélation inhabituel sont facilités par de telles fluctuations quantiques, et n'existerait pas autrement."

L'étude menée par Pohl, Zhang et Maucher introduisent un nouveau type d'état supersolide, lequel, comme leurs conclusions le suggèrent, pourrait être attribuée aux effets des fluctuations quantiques dans les condensats dipolaires. À l'avenir, ils prévoient d'approfondir ces résultats et de mener d'autres études axées sur les condensats dipolaires de Bose-Einstein. Pendant ce temps, d'autres équipes de recherche explorent également le comportement des fluides quantiques dipolaires, tant en théorie qu'en expérimentation.

"Très récemment, trois groupes expérimentaux de l'Université de Stuttgart, l'Université de Florence et l'Université d'Innsbruck ont ​​indépendamment observé la formation de gouttelettes quantiques supersolides à l'échelle du micron alignées sur des réseaux réguliers, ", a déclaré Zhang. "Ces réalisations expérimentales offrent des perspectives prometteuses, et ce sera une question importante de clarifier dans quelles conditions nos prédictions théoriques peuvent être observées avec des atomes dipolaires. Sûrement, Les fluides quantiques dipolaires sont devenus une nouvelle plate-forme passionnante pour le comportement des supersolides qui continuera de défier notre compréhension et de révéler des surprises et de nouvelles perspectives sur cet état quantique fascinant de la matière. »

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