La superfluidité dans les liquides et les gaz peut se manifester par un moment d'inertie réduit (l'analogue rotationnel de la masse) lors de rotations lentes. Des effets de rotation non classiques peuvent également être pris en compte dans les phases insaisissables supersolides de la matière où la superfluidité peut coexister avec une structure en réseau. Dans un nouveau rapport maintenant publié dans Science , L. Tanzi et une équipe de recherche de l'Institut National d'Optique et du Département d'Astronomie de l'Université de Florence en Italie, a montré comment une phase supersolide récemment découverte dans les gaz quantiques dipolaires présentait un moment d'inertie réduit. L'équipe a étudié un mode d'oscillation rotationnel particulier dans un potentiel harmonique pour en déduire une fraction supersolide et fournir une preuve directe de la nature supersolide de la construction dipolaire.

Superfluides et supersolidité

Les superfluides présentent leurs propriétés les plus spectaculaires lors de la rotation, où l'état superfluide est décrit par une fonction d'onde macroscopique. Les physiciens avaient déjà vérifié les effets rotationnels non classiques pour la plupart des superfluides connus, y compris la matière nucléaire, les condensats de Bose-Einstein gazeux et les gaz de Fermi dégénérés. Le résultat est lié à l'effet Meissner noté dans les supraconducteurs. Dans les années 1960, les chercheurs ont découvert un autre type de phase bosonique de la matière connue sous le nom de supersolide, décrit par une fonction d'onde macroscopique. Dans un supersolide, la superfluidité peut coexister avec une architecture de type cristal. Le physicien a suggéré que le supersolide en rotation montrerait un moment d'inertie intermédiaire à un superfluide et à un système classique. Ce phénomène est connu sous le nom d'inertie de rotation non classique (NCRI). Ces observations sur la supersolidité ont été principalement réalisées à l'aide d'hélium solide, où les chercheurs ont utilisé des oscillateurs de torsion (systèmes de rotation) pour détecter le NCRI. Dans ce travail, Tanzi et al. ont étudié un autre candidat supersolide - un condensat gazeux de Bose-Einstein (BEC) d'atomes fortement dipolaires.

Les BEC sont formés à une fraction au-dessus du zéro absolu et uniquement dans des atomes qui agissent comme des bosons, l'un des deux types de particules fondamentales. Lorsque les bosons sont refroidis à des températures suffisamment basses, une fraction substantielle entre spontanément dans un seul état quantique dans un phénomène connu sous le nom de condensation de Bose-Einstein (BEC), et les expériences les plus célèbres sont celles impliquant des gaz atomiques. Le système quantique récemment découvert a montré un régime modulé en densité coexistant avec la cohérence de phase, comme requis pour la supersolidité. Les chercheurs avaient testé la nature superfluide en utilisant des modes d'excitation non rotationnels relatifs aux équations hydrodynamiques pour les superfluides. Dans la lignée des précédentes expériences à l'hélium, Tanzi et al. uniquement focalisé sur la caractérisation du NCRI (inertie de rotation non classique) des systèmes, afin de fournir une preuve directe de la superfluidité sous rotation.

Les expériences

En physique quantique, Il est encore peu pratique d'obtenir des solides dipolaires suffisamment grands pour réaliser une géométrie cylindrique. Par conséquent, les chercheurs ont sélectionné une technique de rotation spécifique pour s'adapter à l'asymétrique, petit système dans le laboratoire. Ils ont alors excité le soi-disant mode en ciseaux du système; une oscillation de rotation à petit angle du potentiel harmonique qui maintient naturellement le système. La technique était auparavant utilisée pour démontrer la superfluidité dans les condensats de Bose-Einstein ordinaires (BEC). Tanzi et al. ont étudié le changement de fréquence du mode ciseaux à travers la transition de BEC à la forme supersolide pour comparer directement le supersolide avec un système entièrement superfluide. Lors des expérimentations, l'équipe a utilisé un BEC d'atomes de Dysprosium (Dy) fortement magnétiques dans un piège harmonique anisotrope avec des fréquences avec les dipôles orientés dans la direction Z via un champ magnétique. La température du système était suffisamment basse et les scientifiques ont induit la transition du BEC au supersolide en s'accordant via une résonance magnétique de Feshbach et des énergies d'interaction de van der Waals. Les scientifiques s'attendaient à ce que le réseau soit composé d'un amas supersolide pour amener le système dans un régime cristallin de gouttelettes sans cohérence entre les gouttelettes.

L'équipe a ensuite excité le mode ciseaux et calculé la fréquence d'oscillation directement liée au moment d'inertie du superfluide. Ils ont ensuite relié le moment d'inertie à une fraction superfluide spécifiquement définie pour le système. Tanzi et al. a noté l'analogie du mode ciseaux avec les oscillateurs de torsion à l'hélium puisque les deux systèmes ont détecté NCRI (inertie de rotation non classique) via la fréquence d'oscillation. Les résultats expérimentaux ont résumé les mesures des ciseaux dans les régimes BEC et supersolide. L'équipe a imagé les distributions de densité 2-D après une expansion libre du système pour représenter les distributions de quantité de mouvement effectives. Les régimes BEC et supersolide ont montré des oscillations à fréquence unique comme prévu pour les superfluides à interaction faible. Pour éviter les perturbations causées par d'autres modes collectifs du système, Tanzi et al. ont utilisé deux techniques d'excitation différentes pour les régimes BEC et supersolide. Ils ont ensuite obtenu un résumé des résultats pour la fréquence des ciseaux et le moment d'inertie associé, puis ont comparé les résultats avec les prédictions théoriques. L'équipe a noté une nette réduction de la fréquence lorsque le système est entré dans le régime supersolide en accord avec la théorie. Les résultats ont fourni une preuve supplémentaire du CNRI pour le solide dipolaire. L'équipe a expliqué les mécanismes montrés dans ce travail en utilisant des prédictions originales faites pour la condensation de Bose dans les systèmes de matière condensée.

Perspectives

De cette façon, L. Tanzi et ses collègues ont établi la nature superfluide du supersolide dipolaire en caractérisant son inertie de rotation non classique. Le supersolide était différent des superfluides standard en raison de la fraction superfluide réduite. La technique détaillée dans ce travail permettra d'approfondir les investigations sur les phénomènes dans des études futures. L'équipe propose de réaliser des systèmes plus grands comme méthode supplémentaire pour étudier le comportement des supersolides en géométrie annulaire ou en configuration 2D, tout en étudiant la dynamique des tourbillons quantifiés dans la phase supersolide.

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