Un « seau » de confinement (en rouge) contient le condensat de matière légère (en bleu). Crédit :FLOTTE
Le « ballottement » d'un fluide quantique composé de lumière et de matière révèle des propriétés superfluides.
Une équipe de physiciens dirigée par des Australiens a réussi à créer des liquides quantiques ballottés dans un « seau » formé par des lasers de confinement.
"Ces fluides quantiques devraient être aussi ondulés que les océans, mais capturer des images claires des vagues est un défi expérimental, ", déclare l'auteur principal, le Dr Eliezer Estrecho.
Dirigé par l'Université nationale australienne (ANU), l'équipe a observé par hasard le mouvement ondulatoire du fluide quantique dans un seau à commande optique, acquérir de nouvelles connaissances sur les propriétés superfluides intrigantes de ce particulier, système hybride lumière-matière.
La superfluidité est le flux de particules sans subir de résistance, et est poursuivi par les chercheurs de FLEET pour des applications futures dans l'électronique à ultra basse énergie.
Remplir le seau avec le fluide quantique a conduit au ballottement
L'équipe a réalisé les expériences dans un « seau » fabriqué au laser qui piège des particules appelées excitons-polaritons, qui sont des particules hybrides de matière légère dans un semi-conducteur.
Fluide quantique flottant dans l'espace de position (à gauche) et l'espace de quantité de mouvement (à droite). Ralentis 100 millions de fois. Crédit :FLOTTE
En refroidissant, ces particules forment un objet quantique géant appelé condensat de Bose-Einstein (parfois appelé le cinquième état de la matière), dans lequel les phénomènes quantiques peuvent être observés à une échelle macroscopique.
"L'excès d'énergie perdu par les particules de refroidissement ne disparaît pas facilement, donc le condensat affichera une sorte de comportement ondulé, qui est aléatoire pour chaque réalisation de la condensation, " dit l'auteur correspondant, la professeure Elena Ostrovskaya.
Ce caractère aléatoire rend difficile la détection des oscillations transitoires avec les caméras d'imagerie, car il fera la moyenne dans l'expérience.
Cependant, fortuitement, le « seau » est incliné.
« Dans la plupart des expériences, on essaie d'éviter le tilt car cela complique l'analyse, " dit le Dr Estrecho.
"Mais dans ce cas, l'inclinaison "gênante" a permis l'observation de l'oscillation car elle est favorable pour que le condensat clapote le long de la direction de l'inclinaison.
L'oscillation de ballottement a été observée à la fois dans la position et dans la quantité de mouvement du condensat, montrant magnifiquement les lois de la mécanique quantique à une échelle macroscopique qui peut être vue par un microscope ordinaire. Cependant, les oscillations sont extrêmement rapides, de sorte qu'il n'était possible de les observer qu'à l'aide d'une caméra avec une résolution temporelle à l'échelle de la picoseconde.
Étudier la vitesse du son dans les superfluides
La vraie beauté de l'expérience réside dans l'analyse des fréquences d'oscillation car elle est directement liée à la vitesse du son et peut sonder les propriétés superfluides du fluide quantique. Ceci est particulièrement pertinent puisque ce fluide quantique particulier peut exister à température ambiante, et est donc prometteur pour les applications d'appareils.
À l'aide d'une analyse intelligente, l'équipe a extrait la vitesse du son des données expérimentales, et a constaté qu'il est plus petit que prévu des théories dominantes. L'équipe a fait valoir que l'écart provient de l'existence d'un réservoir invisible de particules de type matière chaude qui interagissent avec les particules hybrides de matière légère.
Par ailleurs, l'expérience fournit également des indices sur les effets possibles qui peuvent ralentir le superfluide. Au zéro absolu de température, on s'attend à ce que les oscillations ne finissent jamais puisque le système est un superfluide. Cependant, à température finie, ce n'est pas le cas, l'étude des taux d'amortissement des oscillations est donc essentielle pour comprendre le superfluide.
Les premiers résultats montrent que ni les particules du réservoir, température finie, ou la courte durée de vie inhérente des excitons-polaritons peut uniquement expliquer les taux d'amortissement observés. D'où, d'autres études théoriques combinant ces effets et des expériences soigneusement contrôlées sont nécessaires pour mieux comprendre le fluide quantique hors équilibre.
Oscillations collectives à basse énergie et son de Bogoliubov dans un condensat exciton-polariton a été publié en tant que suggestion de l'éditeur dans Lettres d'examen physique en février 2021.
