Une équipe de chercheurs est parvenue pour la première fois à observer une caractéristique fondamentale dans un supersolide, apportant la preuve directe de l’existence de cet état extrême de la matière qui allie rigidité et fluidité.
Dans notre vie quotidienne, la matière peut exister sous quatre états classiques : solide, liquide, gazeux et plasma.
Mais les scientifiques s’intéressent depuis longtemps aux états dits « exotiques » de la matière, qui se forment à des températures proches du zéro absolu (-273,15 degrés Celsius), à des niveaux d’énergie très élevés ou à des niveaux de gravité et de densité extrêmes comme dans les trous noirs.
Dans ces conditions, la matière présente des propriétés physiques ou des comportements très différents de ceux observés dans les états classiques.
Ainsi, les fluides normaux (liquides et gaz) ont une résistance à l’écoulement plus ou moins grande, appelée viscosité – par exemple, l’huile est plus visqueuse que l’eau.
Les superfluides n’ont pas de viscosité : ils s’écoulent sans perte d’énergie, ce qui leur permet de circuler indéfiniment dans un récipient sans ralentir.
Il y a plus de 50 ans, les physiciens prédisaient l’existence d’un état supersolide. La matière y présente à la fois les propriétés d’un solide classique, avec une structure cristalline, et d’un superfluide, où une fraction des atomes s’écoule sans viscosité à travers le réseau solide.
– Étoiles à neutrons –
La structure cristalline de ces supersolides avait déjà été imagée, mais jusqu’à présent, leur superfluidité n’avait été déduite que de diverses observations.
“Il manquait encore à nos travaux une observation directe d’une des propriétés caractéristiques et fondamentales de la superfluidité : l’écoulement sans rotation”, souligne Francesca Ferlaino, qui a dirigé la recherche publiée mercredi dans Nature.
« Imaginez que vous prenez une tasse de café et que vous la faites tourner un peu avec une cuillère. Vous verrez le café tourner autour du centre, un exemple classique de vortex dans un fluide ordinaire », explique le physicien de l’Université d’Innsbruck (Autriche).
Si on remplace le café par un superfluide, il ne tourne pas avec la cuillère, il reste parfaitement immobile comme si rien ne l’avait perturbé.
« Cependant, si vous faites tourner la cuillère plus rapidement, au lieu de former un grand tourbillon au centre, une série de tourbillons plus petits (appelés vortex quantifiés) commencent à apparaître. Ce sont comme de petits trous dans le fluide, chacun tournant à une vitesse spécifique, qui s’organisent en beaux motifs réguliers à la surface du superfluide, presque comme les trous dans un morceau de fromage suisse », poursuit Mme Ferlaino.
Son équipe a réussi à créer et à observer ces vortex quantifiés en laboratoire. Un exploit particulièrement difficile à réaliser.
En 2021, l’équipe d’Innsbruck avait déjà réussi à créer un supersolide à vie longue, en refroidissant certains atomes et molécules à très basse température.
Il fallait alors trouver un moyen d’agiter ce supersolide sans détruire son état fragile. Les chercheurs ont utilisé des champs magnétiques pour le faire tourner avec précaution. Ce qui a entraîné la formation de vortex quantifiés.
Ces travaux apportent « une preuve forte et directe de la double nature d’un état supersolide », souligne Mme Ferlaino.
Ils permettront également d’observer en laboratoire des phénomènes physiques qui ne se produisent dans la nature que dans des conditions extrêmes.
Comme recréer ce qui se passe au cœur des étoiles à neutrons, ces étoiles extrêmement denses et compactes nées de l’effondrement d’étoiles massives.
« On suppose que les variations de vitesse de rotation dans les étoiles à neutrons – appelées pépins – sont causées par des superfluides piégés à l’intérieur. Notre plateforme offre la possibilité de simuler de tels phénomènes ici sur Terre », explique le chercheur. Thomas Bland, qui a participé à l’étude, dans un communiqué.
