Les chercheurs ont réalisé une percée dans la physique quantique, observant pour la première fois un état superfluide de la matière passant à un supersolide – puis revenant – pour la première fois. Ce déphasage réversible, détaillé dans une étude Nature du 28 janvier, confirme une possibilité auparavant théorique et ouvre de nouvelles voies pour comprendre les états exotiques de la matière.
Le monde étrange des phases quantiques
La plupart des gens connaissent trois phases courantes : solide, liquide et gazeuse. Cependant, dans des conditions extrêmes, la matière peut exister dans de nombreux autres états. Les superfluides en sont un exemple : ils s’écoulent sans aucune résistance, formant même des vortex quantiques perpétuels lorsqu’ils sont agités, et n’apparaissent qu’à des températures juste au-dessus du zéro absolu.
Les supersolides, supposés provenir de superfluides encore plus froids, combinent une viscosité nulle et un ordre cristallin. Contrairement aux liquides classiques, les particules d’un supersolide s’organisent en réseau tout en conservant leur capacité à s’écouler et à former des vortex quantiques.
L’expérience et les principales conclusions
Les tentatives précédentes pour créer des supersolides reposaient sur une manipulation externe pour forcer les particules dans une structure en réseau. Cette nouvelle recherche démontre une transition de phase naturelle : le superfluide s’organisant spontanément en supersolide dans les bonnes conditions.
Pour y parvenir, l’équipe a pris en sandwich deux feuilles de graphène et les a exposées à un champ magnétique puissant, créant ainsi une « soupe d’excitons ». Les excitons, quasi-particules formées de paires électron-trou, se sont comportés de manière inattendue lors du refroidissement du système.
Du superfluide au supersolide
À des températures comprises entre 2,7 et 7,2 °F (1,5 à 4 °C) au-dessus du zéro absolu, les excitons formaient un superfluide. Un refroidissement supplémentaire a induit le passage à une phase électriquement isolante, qui, selon les chercheurs, est un véritable état supersolide.
Comme l’explique Jia Li, physicien à l’Université du Texas à Austin : « L’observation d’une phase isolante qui fond en un superfluide est sans précédent. Cela suggère fortement que la phase à basse température est un solide exciton très inhabituel. »
Pourquoi c’est important
Cette découverte est importante car elle valide les prédictions théoriques fondamentales sur le comportement de la matière à des températures extrêmes. La capacité à induire naturellement cette transition de phase suggère une stabilité inhérente plus profonde dans ces états exotiques.
Les implications vont au-delà de la physique pure. Comprendre les supersolides pourrait ouvrir la voie à de nouvelles technologies : des matériaux à résistance nulle pourraient révolutionner la transmission de l’énergie, tandis que les propriétés uniques de ces phases pourraient conduire à de nouveaux dispositifs quantiques.
Quelle est la prochaine étape ?
L’équipe prévoit d’explorer d’autres matériaux et d’affiner les techniques de mesure pour mieux caractériser l’état supersolide de l’exciton. Cory Dean, physicien à l’Université de Columbia, a déclaré : “Pour l’instant, nous explorons les limites autour de cet état isolant, tout en construisant de nouveaux outils pour le mesurer directement.”
Cette recherche ne consiste pas seulement à être témoin d’un phénomène étrange ; il s’agit de repousser les limites de notre compréhension de la matière et d’ouvrir la voie à de futures percées technologiques.
En fin de compte, cette découverte confirme que l’univers réserve des surprises encore plus étranges que ce que nous imaginions auparavant et que la quête pour comprendre ses lois fondamentales est loin d’être terminée.
