Supersolides, matériaux solides avec des propriétés superfluides (c'est-à-dire, dans laquelle une substance peut s'écouler avec une viscosité nulle), ont récemment fait l'objet de nombreuses études de physique. Les supersolides sont des phases paradoxales de la matière dans lesquelles coexistent deux ordres distincts et quelque peu antithétiques, résultant en un matériau à la fois cristallin et superfluide.

Prédit pour la première fois à la fin des années 1960, la supersolidité est progressivement devenue l'objet d'un nombre croissant d'études de recherche, suscitant un débat dans différents domaines scientifiques. Il y a plusieurs années, par exemple, une équipe de chercheurs a publié des résultats controversés qui ont identifié cette phase dans l'hélium solide, qui ont ensuite été démenties par les auteurs eux-mêmes.

Un problème clé avec cette étude était qu'elle ne tenait pas compte de la complexité de l'hélium et des observations peu fiables qu'il peut parfois produire. En outre, en atomes, les interactions sont généralement très fortes et régulières, ce qui rend plus difficile la réalisation de cette phase.

Les gaz quantiques dipolaires se situent à l'extrême opposé de structures telles que l'hélium solide, car ils sont constitués d'atomes magnétiques ultrafroids en phase gazeuse refroidis à des températures de nanokelvin. Dans ces gaz, donc, les interactions entre atomes sont faibles, mais ils sont également à longue portée et accordables avec des champs magnétiques contrôlés de l'extérieur.

En raison de leur haut degré d'accordabilité, il y a quelques années, les gaz quantiques ont commencé à apparaître plus fréquemment dans les propositions théoriques de supersolidité. Les premières expériences utilisant des gaz couplés à des champs lumineux ont montré des états avec des propriétés de type supersolide, mais dans ces états, le solide reste incompressible.

Finalement, il y a quelques mois, trois groupes de recherche étudiant les gaz ultrafroids d'atomes hautement magnétiques (un groupe allemand dirigé par Tilman Pfau, un groupe italien dirigé par Giovanni Modugno et un groupe de chercheurs basés à l'Université d'Innsbruck et à l'Institut für Quantenoptik und Quanteninformation dirigé par Francesca Ferlaino), des observations publiées simultanément d'états avec des propriétés supersolides.

"Nous avons pu prouver que dans des conditions d'interaction particulières, le gaz magnétique a subi une transition de phase vers un état supersolide, montrant à la fois une modulation de densité spontanée (c. cristal) et la cohérence de phase globale (c'est-à-dire, superfluide), " les chercheurs basés à Innsbruck ont ​​déclaré à Phys.org par e-mail. " Remarquablement, les propriétés supersolides résultent véritablement des interactions interparticulaires nues, qui ont une forte contribution dipôle-dipôle."

Fort de ces résultats précédents, l'équipe de recherche dirigée par Francesca Farlaino a mené une nouvelle étude sur le spectre d'excitation d'un supersolide dipolaire piégé, recueillir de nouvelles observations intéressantes. Cette étude est un pas en avant important pour dévoiler comment l'état supersolide de la matière répond aux excitations.

"Pour sonder la supersolidité, il est important de prouver que la nature superfluide et cristalline d'un système répond différemment aux perturbations, " expliquent les chercheurs. " Plus généralement, en physique quantique, tout système possède des modes d'excitation intrinsèques caractérisant la façon dont il répond à une perturbation. Par exemple, une corde de guitare pincée ne répond qu'à une fréquence donnée, faire un son clair, qu'une oreille entraînée pourrait reconnaître comme une note spécifique, estimer les caractéristiques de la corde. Il en va de même pour un système quantique; son spectre d'excitation révèle une information intime sur son caractère intrinsèque. Sonder les excitations du supersolide peut ainsi permettre un aperçu nouveau et plus profond de cette phase intrigante. »

Les réponses observées par les chercheurs correspondent aux prédictions théoriques associées aux supersolides, ce qui suggère qu'ils ont réussi à observer un état supersolide. Leur papier, Publié dans Lettres d'examen physique , s'intéresse plus particulièrement au spectre des excitations élémentaires d'un gaz de Bose dipolaire placé dans un piège anisotrope 3-D lors de sa transition entre superfluide et supersolide.

« Nous avons fait un pas important en étudiant la réponse aux excitations des systèmes, " les chercheurs ont dit à Phys.org. " La façon dont un système répond vous en dit long sur le système lui-même. Il suffit de penser à une excitation extérieure dans laquelle on jette une pierre sur un système, et combien la réponse est différente si l'on jette cette pierre à la mer ou contre un mur. Ceci n'est qu'un exemple; au lieu de jeter une pierre, nous étudions la compressibilité du système."

Dans leur étude, Ferlaino et ses collègues ont essentiellement sondé les modes d'excitation de l'état supersolide produit à partir d'un gaz quantique d'atomes d'erbium dans un piège en forme de cigare fait de lumière en modifiant la valeur d'un champ magnétique externe. Dans cette configuration expérimentale, la modulation de densité est apparue spontanément le long du piège, tandis que le système est resté superfluide.

Les chercheurs ont ensuite excité globalement le système en perturbant le piège dans la même direction dans laquelle la modulation de densité était apparue. Cela a entraîné l'excitation de modes distincts, qu'ils ont sondé en observant le changement dans les modèles de l'interférence des ondes de matière du gaz avec lui-même (obtenu en faisant se dilater le gaz) au fil du temps.

« Dans notre travail, nous identifions les différents modes d'excitation élémentaires en appliquant une analyse statistique sans modèle appelée Analyse en Composantes Principales sur l'évolution temporelle des motifs que nous avons observés, ", ont déclaré les chercheurs. "Notre observation la plus significative était que l'existence simultanée des deux ordres -cristal et superfluide- dans un supersolide se traduit par des propriétés remarquables de son spectre d'excitation élémentaire, que nous avons approfondi dans notre travail."

Des études antérieures suggèrent qu'à la limite thermodynamique (c'est-à-dire, dans les systèmes infinis), l'existence à la fois de propriétés cristallines et superfluides produit deux branches dans le spectre d'excitation, chacun d'eux étant associé à l'un des ordres. Il en résulte des modes qui sont soit des vibrations de la structure cristalline, soit un écoulement du superfluide, respectivement. Dans leur étude, Ferlaino et ses collègues ont montré, à la fois théoriquement et expérimentalement, que cette caractéristique clé du spectre des supersolides se produit dans les systèmes de laboratoire où seuls quelques sites cristallins sont présents.

"Expérimentalement, nous avons observé que la réponse du système à notre schéma d'excitation global passe d'un à plusieurs modes excités lorsque le système passe d'un superfluide régulier à un supersolide, reflétant la multiplicité de la branche d'excitation dans le système, " les chercheurs ont expliqué. " Il est important de noter que une classe de modes excités a un coût énergétique décroissant lorsqu'on pénètre plus profondément dans le régime supersolide, c'est à dire., lorsque le caractère superfluide de la phase est réduit. Un tel comportement caractérise les modes qui induisent un écoulement superfluide dans le réseau de gouttelettes."

Les chercheurs ont découvert que tandis que dans le régime de condensat de Bose-Einstein, le système qu'ils ont examiné présentait une oscillation quadripolaire ordinaire, dans le régime supersolide, il a produit une réponse à deux fréquences intrigante. Cette réponse est associée aux deux symétries spontanément brisées du système.

L'étude menée par Ferlaino et ses collègues apporte la preuve de la possibilité d'écoulement superfluide à l'état supersolide, tandis que son élasticité solide est sensible. Pour vérifier leurs observations, cependant, les chercheurs auraient également besoin de prouver l'irrotationalité de l'écoulement superfluide, par exemple en observant les tourbillons. C'est l'une des nombreuses choses qu'ils espèrent accomplir dans leur travail futur.

"L'histoire du gaz dipolaire supersolide est encore un livre incomplet et de nombreux chapitres restent à écrire, " les chercheurs ont dit. " Par exemple, comment évolue la fraction superfluide le long du diagramme de phases ? Quelle est la nature de l'écoulement superfluide dans un tel système et comment le système réagit-il à la rotation ou à une perturbation locale ? Quelles sont les autres caractéristiques que l'on peut capter à partir du spectre d'excitation du supersolide, concernant à la fois son élasticité solide et sa fraction superfluide ? Ce ne sont là que quelques-unes des directions passionnantes que nous pourrions explorer à l'avenir."

© 2019 Réseau Science X