Regarder un gaz se transformer en supersolide
En refroidissant un gaz superfluide connu sous le nom de condensat de Bose-Einstein, les chercheurs du projet DipInQuantum (Dipolar quantum gases of Dysprosium), financé par l’UE, ont réussi à faire passer le condensat dans une phase quantique de matière ayant une structure cristalline et pouvant couler comme un liquide mais sans frottement interne. Des gouttelettes auto-liées Alors que les atomes ultra-froids sont généralement dans une phase gazeuse, des données récentes ont montré de façon surprenante que, dans des circonstances particulières, les atomes condensés peuvent former des gouttelettes liquides «auto-liées». «Les interactions entre les dipôles magnétiques d’atomes de lanthanide dans un gaz ultra-froid peuvent produire une gouttelette liquide "auto-liée". Ceci fournit un système isolé utile pour sonder les propriétés mécaniques quantiques des gaz ultra-froids», explique le Dr Tilman Pfau, responsable du projet DipInQuantum. À la base de cette nouvelle phase se trouve la coexistence de forces répulsives et attractives parfaitement équilibrées pour générer ce système auto-lié. L’auto-organisation est une caractéristique clé des systèmes à corps multiples, où l’ordre apparaît spontanément sous l'effet des interactions entre les particules. «Dans notre cas, la stabilité de ces gouttelettes auto-liées dépend du bon équilibre de trois interactions. Les forces de contact et les fluctuations quantiques déterminent la composante répulsive des interactions, tandis que les forces dipolaires représentent la composante d’attraction», remarque le Dr Pfau. Des découvertes récentes laissent penser que des ensembles d’atomes ultra-froids auto-liés peuvent exister à des densités atomiques 100 millions de fois inférieures à celles d’une gouttelette d’hélium, formée à partir d’un liquide quantique dense. Cependant, la preuve expérimentale de tels ensembles est restée jusqu’à présent insaisissable, car ils nécessitent des forces autres que l’interaction de contact à portée nulle habituelle, qui sont attractives ou répulsives, mais jamais les deux. Ces gouttelettes sont le pendant dilué de systèmes auto-liés fortement corrélés, comme les noyaux atomiques et les gouttelettes d’hélium. Gaz, liquide et cristal quantiques tout-en-un L’équipe du projet a refroidi un gaz d’atomes de dysprosium à des températures frôlant le zéro absolu. Ces atomes peuvent être considérés comme de minuscules aimants, étant donné que le dysprosium est l’élément le plus magnétique. Pour leurs recherches, les chercheurs ont créé un gaz superfluidique contenant 3 000 atomes de dysprosium et les ont lévité avec un champ magnétique élevé. En conséquence, ils ont observé des modèles réguliers constitués de gouttelettes microscopiques. Lors de la lévitation magnétique, les gouttelettes ont initialement perdu des atomes et, dès qu’elles ont atteint un nombre critique d’atomes, elles se sont évaporées pour se transformer en gaz. «Nous avons découvert un nouvel état de la matière qui présente les caractéristiques apparemment contradictoires d’un gaz, d’un cristal et d’un superfluide», remarque le Dr Pfau. Les chercheurs estiment que les fluctuations quantiques jouent un rôle important dans l’existence des gouttelettes. Compte tenu du principe d’incertitude de Heisenberg, les atomes qui forment la gouttelette ne peuvent rester complètement immobiles à l’intérieur de celle-ci et restent dès lors en mouvement perpétuel. Ces atomes confinés dans un petit volume génèrent une pression quantique. Cela rend la gouttelette instable et les atomes s’évaporent en un gaz en expansion. «La combinaison de gaz, de liquide et de cristaux quantiques dans un unique état de matière pourrait ouvrir la voie vers de véritables supersolides, un matériau ordonné dans l’espace doté de propriétés superfluidiques», ajoute le Dr Pfau. Les atomes de dysprosium portant un moment dipolaire plus fort ont fait naître l’espoir de mener des expériences novatrices dans le domaine quantique. Aimants exceptionnels, ils facilitent grandement l’étude des gouttelettes de liquide quantique. Jusqu’à présent, les supersolides, qui sont à la fois un superfluide et un solide, constituaient un état de la matière uniquement théorique. Avec une méthode légitime exploitant un condensat de Bose-Einstein, DipInQuantum a ouvert la voie à une étude plus approfondie de cet étrange état de la matière.
Mots‑clés
DipInQuantum, gouttelette, gaz, auto-lié, superfluide, supersolide, gaz quantique, liquide quantique, atome ultra-froid, condensat de Bose-Einstein
