La matière quantique peut être à la fois solide et fluide, une situation connue sous le nom de supersolidité. Des chercheurs dirigés par Francesca Ferlaino ont maintenant créé pour la première fois cette propriété fascinante selon deux dimensions. Ils rapportent maintenant dans le journal La nature sur la réalisation de la supersolidité selon deux axes d'un gaz quantique ultrafroid. L'expérience offre de nombreuses possibilités pour approfondir l'étude de cet état exotique de la matière.

Les gaz quantiques sont très bien adaptés pour étudier les conséquences microscopiques des interactions dans la matière. Aujourd'hui, les scientifiques peuvent contrôler avec précision des particules individuelles dans des nuages ​​de gaz extrêmement refroidis en laboratoire, révélant des phénomènes qui ne peuvent être observés dans le monde de tous les jours. Par exemple, les atomes individuels dans un condensat de Bose-Einstein sont complètement délocalisés. Cela signifie que le même atome existe à chaque point du condensat à un moment donné. Il y a deux ans, le groupe de recherche dirigé par Francesca Ferlaino du Département de physique expérimentale de l'Université d'Innsbruck et de l'Institut d'optique quantique et d'information quantique de l'Académie autrichienne des sciences d'Innsbruck a réussi pour la première fois à générer des états supersolides dans des gaz quantiques ultrafroids de atomes. L'interaction magnétique amène les atomes à s'auto-organiser en gouttelettes et à s'organiser selon un motif régulier.

"Normalement, on pourrait penser que chaque atome se trouverait dans une gouttelette spécifique, sans aucun moyen de se mettre entre eux, " dit Matthew Norcia de l'équipe de Francesca Ferlaino. " Cependant, à l'état supersolide, chaque particule est délocalisée à travers toutes les gouttelettes, existant simultanément dans chaque goutte. Donc en gros, vous avez un système avec une série de régions à haute densité (les gouttelettes) qui partagent toutes les mêmes atomes délocalisés. » Cette formation bizarre permet des effets tels qu'un écoulement sans friction malgré la présence d'un ordre spatial (superfluidité).

Nouvelles dimensions, de nouveaux effets à explorer

Jusqu'à maintenant, les états supersolides dans les gaz quantiques n'ont jamais été observés que sous la forme d'une chaîne de gouttelettes (le long d'une dimension). "En collaboration avec les théoriciens Luis Santos à Leibniz Universität Hannover et Russell Bisset à Innsbruck, nous avons maintenant étendu ce phénomène à deux dimensions, donnant lieu à des systèmes à deux ou plusieurs rangées de gouttelettes, " explique Matthew Norcia. Il ne s'agit pas seulement d'une amélioration quantitative, mais élargit aussi de manière cruciale les perspectives de recherche. "Par exemple, dans un système supersolide à deux dimensions, on peut étudier comment se forment des tourbillons dans le trou entre plusieurs gouttelettes adjacentes, " dit-il. " Ces tourbillons décrits en théorie n'ont pas encore été démontrés, mais ils représentent une conséquence importante de la superfluidité, " Francesca Ferlaino regarde déjà vers l'avenir. L'expérience maintenant rapportée dans la revue Nature crée de nouvelles opportunités pour approfondir la physique fondamentale de cet état fascinant de la matière.

Nouveau domaine de recherche :les supersolides

Prédit il y a 50 ans, la supersolidité avec ses propriétés surprenantes a été largement étudiée dans l'hélium superfluide. Cependant, après des décennies de recherches théoriques et expérimentales, une preuve claire de la supersolidité de ce système manquait encore. Il y a deux ans, groupes de recherche à Pise, Stuttgart et Innsbruck ont ​​réussi indépendamment pour la première fois à créer des supersolides à partir d'atomes magnétiques dans des gaz quantiques ultrafroids. La base du nouveau, domaine de recherche croissant des supersolides est la forte polarité des atomes magnétiques, dont les caractéristiques d'interaction permettent la création de cet état paradoxal de mécanique quantique de la matière en laboratoire.