{"id":25100,"date":"2025-04-29T12:00:00","date_gmt":"2025-04-29T12:00:00","guid":{"rendered":"https:\/\/www.africa-press.net\/comores\/politique\/le-supersolide-un-nouvel-etat-entre-cristal-et-superfluide"},"modified":"2025-05-05T20:46:36","modified_gmt":"2025-05-05T20:46:36","slug":"le-supersolide-un-nouvel-etat-entre-cristal-et-superfluide","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.africa-press.net\/comores\/toutes-les-actualites\/le-supersolide-un-nouvel-etat-entre-cristal-et-superfluide","title":{"rendered":"Le Supersolide, un Nouvel \u00c9tat entre Cristal et Superfluide"},"content":{"rendered":"

Africa-Press – Comores. <\/strong><\/span>C\u2019est une terra incognita, une \u00ab terre inconnue \u00bb, comme celles qui parsemaient encore les cartes du 19e sie\u0300cle pour de\u0301signer l\u2019Arctique, l\u2019Antarctique ou le c\u0153ur de l\u2019Afrique. Mais ici, point de reliefs ni de climats hostiles. Cette contre\u0301e inexplore\u0301e appartient au domaine de la physique quantique et porte le nom bien intrigant de \u00ab supersolide \u00bb.<\/p>\n

Un e\u0301tat de la matie\u0300re exotique, ou\u0300 les atomes se comportent a\u0300 la fois comme un solide et un liquide capable de s\u2019e\u0301couler sans friction, un superfluide. Comme si un bloc de glace se laissait traverser par de l\u2019eau liquide sans encombre. Et pour ajouter encore au myste\u0300re, ce mate\u0301riau ine\u0301dit se pre\u0301sente… sous la forme d\u2019un gaz a\u0300 deux dimensions seulement !<\/p>\n

The\u0301orise\u0301 de\u0300s les anne\u0301es 1950, il a fallu attendre 2019 pour qu\u2019une preuve expe\u0301rimentale soit apporte\u0301e, tant cet e\u0301tat est de\u0301licat a\u0300 obtenir et a\u0300 caracte\u0301riser. C\u2019est donc gra\u0302ce aux travaux de trois e\u0301quipes inde\u0301pendantes, celles de Francesca Ferlaino a\u0300 l\u2019universite\u0301 d\u2019Innsbruck (Autriche), de Giovanni Modugno a\u0300 Pise (Italie) et de Tilman Pfau a\u0300 Stuttgart (Allemagne), que le supersolide e\u0301merge. Et ce n\u2019est qu\u2019en de\u0301cembre 2024 qu\u2019une publication dans Nature, signe\u0301e par l\u2019e\u0301quipe d\u2019Innsbruck, est venue donner une dernie\u0300re confirmation de l\u2019existence de cet e\u0301tat quantique aux confins du solide, du liquide et du gaz. Une terra incognita de\u0301sormais un peu moins myste\u0301rieuse, donc…<\/p>\n

Une histoire mal engage\u0301e<\/b><\/p>\n

Tout avait bien mal commence\u0301 pour le supersolide… En 1956, les physiciens Oliver Penrose et Lars Onsager e\u0301voquent l\u2019ide\u0301e d\u2019un e\u0301tat de matie\u0300re a\u0300 la fois solide et superfluide, mais concluent qu\u2019il est impossible. De\u0300s l\u2019anne\u0301e suivante, Eugene Gross les contredit et propose un mode\u0300le sugge\u0301rant qu\u2019un tel e\u0301tat pourrait exister si les atomes interagissent a\u0300 longue distance. Dans les anne\u0301es 1970, Anthony Leggett the\u0301orise la possibilite\u0301 d\u2019un supersolide dans l\u2019he\u0301lium, mais les premie\u0300res expe\u0301riences en 2004, bien que prometteuses, sont controverse\u0301es. Il faudra donc attendre la fin des anne\u0301es 2010 pour voir e\u0301merger le supersolide et caracte\u0301riser ses proprie\u0301te\u0301s e\u0301tonnantes dans des gaz d\u2019atomes ultrafroids.<\/p>\n

Pour comprendre vraiment le supersolide, il faut e\u0301largir se\u0301rieusement nos ide\u0301es sur ce qu\u2019est un solide. Lauriane Chomaz est professeure a\u0300 l\u2019universite\u0301 de Heidelberg, en Allemagne. Elle dirige le groupe de recherche Quantum Fluids, qui explore les comportements collectifs de la matie\u0300re quantique. Mais cinq ans plus to\u0302t, elle participait a\u0300 la mise au point du supersolide dans l\u2019e\u0301quipe de Francesca Ferlaino. Alors, a\u0300 quoi ressemble-t-il concre\u0300tement ?<\/p>\n

\u00ab Dans l\u2019expe\u0301rience de 2019, il se pre\u0301sente sous la forme d\u2019un gaz d\u2019atomes magne\u0301tiques [de l\u2019erbium ou du dysprosium] organise\u0301 en une se\u0301rie de gouttelettes quantiques [des amas d\u2019atomes] re\u0301gulie\u0300rement espace\u0301es. C\u2019est ce qui permet de parler de solide. \u00bb En effet, dans un cristal par exemple, la matie\u0300re est ordonne\u0301e, ce qui est l\u2019une des caracte\u0301ristiques du supersolide. Mais c\u2019est bien la seule concession a\u0300 l\u2019e\u0301tat solide \u00ab classique \u00bb car, pour le reste, il s\u2019en affranchit largement, comme nous allons le voir…<\/p>\n

Condition indispensable pour e\u0301laborer ce supersolide: refroidir le gaz d\u2019atomes aux environs de -273,15 \u00b0C, le \u00ab ze\u0301ro absolu \u00bb. Il atteint alors un e\u0301tat ou\u0300 tous les atomes se comportent comme une seule entite\u0301 \u2013 un condensat de Bose-Einstein. Ils ne bougent plus individuellement mais agissent ensemble. Gra\u0302ce a\u0300 cette proprie\u0301te\u0301, ils forment un superfluide, qui s\u2019e\u0301coule sans aucune re\u0301sistance.<\/p>\n

Normalement, un liquide frotte contre les parois d\u2019un re\u0301cipient ou contre un obstacle, ce qui dissipe de l\u2019e\u0301nergie et finit par le ralentir. Dans un superfluide, si un seul atome devait e\u0302tre ralenti, cela briserait l\u2019unicite\u0301 de l\u2019ensemble. Mais pas question \u00ab qu\u2019une te\u0302te de\u0301passe \u00bb avec les lois de la physique quantique. Donc il glisse inde\u0301finiment, tant qu\u2019il reste sous une certaine vitesse critique…<\/p>\n

Confiner les atomes dans un pie\u0300ge optique<\/b><\/p>\n

Obtenir un condensat de Bose-Einstein est une condition ne\u0301cessaire, mais non suffisante, pour faire un supersolide. Il faut encore qu\u2019il se structure de manie\u0300re re\u0301gulie\u0300re. L\u2019astuce repose sur la nature me\u0302me des atomes utilise\u0301s: l\u2019erbium et le dysprosium, deux me\u0301taux appartenant a\u0300 la cate\u0301gorie des terres rares. \u00ab Ces e\u0301le\u0301ments posse\u0300dent des moments magne\u0301tiques, ce qui signifie qu\u2019ils se comportent comme de minuscules aimants \u00ab , de\u0301taille Lauriane Chomaz.<\/p>\n

En jouant sur ces interactions magne\u0301tiques \u2013 attraction et re\u0301pulsion -, les scientifiques vont re\u0301ussir a\u0300 forcer ces atomes a\u0300 s\u2019organiser en gouttelettes pe\u0301riodiques. C\u2019est ce qu\u2019ont re\u0301alise\u0301 Francesca Ferlaino et son e\u0301quipe a\u0300 Innsbruck en 2019. Les atomes sont d\u2019abord confine\u0301s a\u0300 l\u2019aide de lasers au sein d\u2019un pie\u0300ge optique. \u00ab Ce type de pie\u0300ge permet de confiner les atomes sans recourir a\u0300 des champs magne\u0301tiques, ce qui est crucial pour manipuler ces atomes magne\u0301tiques et contro\u0302ler pre\u0301cise\u0301ment leurs interactions \u00ab , pre\u0301cise Lauriane Chomaz. Alors que la tempe\u0301rature est abaisse\u0301e progressivement, les atomes forment un condensat de Bose-Einstein. Mais leur moment magne\u0301tique va modifier la donne par rapport a\u0300 un condensat re\u0301alise\u0301 avec des atomes neutres, comme le raconte Francesca Ferlaino.<\/p>\n

\u00ab Les atomes arrivant dans leur e\u0301tat fondamental de\u0301cident de ne plus suivre l\u2019organisation que le pie\u0300ge optique leur imposait. Ils choisissent spontane\u0301ment une organisation qui minimise leur e\u0301nergie d\u2019interaction d\u2019origine magne\u0301tique. Une fois l\u2019e\u0301quilibre atteint, les atomes s\u2019organisent spontane\u0301ment en une structure re\u0301gulie\u0300re, des gouttelettes de quelques milliers a\u0300 plusieurs dizaines de milliers d\u2019atomes chacune, ressemblant a\u0300 un cristal. \u00bb<\/p>\n

Avec de l\u2019erbium, cette organisation est maintenue durant 38 millisecondes. Avec le dysprosium, 152 millisecondes. Depuis, la dure\u0301e a e\u0301te\u0301 porte\u0301e a\u0300 une seconde. C\u2019est largement suffisant pour conside\u0301rer cet e\u0301tat comme stable. Il reste a\u0300 de\u0301montrer qu\u2019il se comporte aussi comme un superfluide.<\/p>\n

Le vortex, signature inconteste\u0301e de la superfluidite\u0301<\/b><\/p>\n

En de\u0301cembre 2024, l\u2019e\u0301quipe d\u2019Innsbruck rele\u0300ve ce de\u0301fi en mettant en e\u0301vidence un phe\u0301nome\u0300ne cle\u0301: la formation de vortex quantiques. Comment ? En le faisant tourner rapidement sur lui-me\u0302me, en mode toupie. Cre\u0301er un vortex pour prouver la superfluidite\u0301 peut sembler paradoxal. Lorsque l\u2019on fait tourner un seau d\u2019eau sur lui-me\u0302me, les couches de fluide en contact direct avec la paroi sont mises en rotation par effet de frottement. Or, la superfluidite\u0301, c\u2019est l\u2019absence de forces de frottement. Alors pourquoi chercher a\u0300 ge\u0301ne\u0301rer un vortex dans un supersolide ?<\/p>\n

Andrea Litvinov, post-doctorant dans l\u2019e\u0301quipe de Francesca Ferlaino, de\u0301taille ce point de\u0301licat. \u00ab Lorsque nous mettons en rotation le supersolide, nous lui communiquons de l\u2019e\u0301nergie sous la forme d\u2019un moment angulaire. Mais ce syste\u0300me n\u2019a tout d\u2019abord pas la capacite\u0301 de l\u2019absorber. Il faut atteindre une valeur bien pre\u0301cise d\u2019e\u0301nergie, un quantum, pour que tout a\u0300 coup, l\u2019e\u0301nergie passe dans le syste\u0300me qui devient alors excite\u0301. Or, on sait depuis les anne\u0301es 1950 qu\u2019un superfluide excite\u0301 par une e\u0301nergie de rotation ge\u0301ne\u0300re spontane\u0301ment des vortex. Leur apparition constitue ainsi une signature incontestable de la superfluidite\u0301. \u00bb<\/p>\n

Dans l\u2019expe\u0301rience d\u2019Innsbruck, les chercheurs ont applique\u0301 un champ magne\u0301tique externe pour mettre en rotation le supersolide. Pendant les 300 premie\u0300res millisecondes (ms), ils n\u2019ont observe\u0301 aucun changement notable. Autour de 400 ms, des vortex ont commence\u0301 a\u0300 e\u0301merger. Vers 800 ms, le syste\u0300me a atteint un e\u0301quilibre dynamique stable, ou\u0300 des tourbillons bien e\u0301tablis coexistent avec la structure solide. Pourquoi plusieurs tourbillons ? \u00ab Contrairement a\u0300 un liquide classique qui tourne en bloc, le supersolide re\u0301siste a\u0300 une mise en rotation globale, rappelle Francesca Ferlaino. Pour s\u2019adapter, il se fragmente en multiples tourbillons locaux. C\u2019est sa fac\u0327on de refuser une rotation impose\u0301e. \u00bb<\/p>\n

Prochaine e\u0301tape: explorer ses proprie\u0301te\u0301s<\/b><\/p>\n

Maintenant que la physique a plante\u0301 son drapeau sur cette terra incognita, quelle est la prochaine e\u0301tape ? \u00ab L\u2019explorer !, s\u2019enthousiasme Andrea Litvinov. Quelles sont ses proprie\u0301te\u0301s ? Re\u0301agit-il de la me\u0302me manie\u0300re a\u0300 plus grande e\u0301chelle [dans l\u2019expe\u0301rience d\u2019Innsbruck, la taille du supersolide est de l\u2019ordre de quelques microme\u0300tres] ? Comment le manipuler ? Nous avons encore tout a\u0300 de\u0301couvrir. \u00bb<\/p>\n

Lauriane Chomaz, elle, y voit une occasion unique d\u2019e\u0301tudier les comportements collectifs de la matie\u0300re. \u00ab Le supersolide existe gra\u0302ce aux corre\u0301lations quantiques des atomes. Cela soule\u0300ve des questions fascinantes: comment ce comportement e\u0301merge-t-il ? Comment apparaissent les proprie\u0301te\u0301s quantiques a\u0300 partir de l\u2019e\u0301tat classique ? \u00bb Francesca Ferlaino, enfin, pose une question vertigineuse: et si le supersolide existait ailleurs que dans les laboratoires ? \u00ab Pour l\u2019instant, nous ne l\u2019avons obtenu que dans des conditions extre\u0302mement contro\u0302le\u0301es, mais il pourrait exister naturellement dans l\u2019Univers \u00ab , avance-t-elle.<\/p>\n

Le plus extraordinaire, c\u2019est que ce n\u2019est pas exclu ! Certains astres exotiques, comme les e\u0301toiles a\u0300 neutrons, pourraient bien receler de telles structures. D\u2019autres terrae incognitae a\u0300 explorer…<\/p>\n

Des supersolides dans la structure interne des e\u0301toiles a\u0300 neutrons ?<\/b><\/p>\n

Les e\u0301toiles a\u0300 neutrons figurent parmi les objets les plus extre\u0302mes de l\u2019Univers: l\u2019e\u0301quivalent d\u2019un Soleil compacte\u0301 dans une sphe\u0300re de seulement 12 km de rayon. Sous leur crou\u0302te solide, on soupc\u0327onne l\u2019existence d\u2019un bain de neutrons superfluides s\u2019e\u0301coulant sans friction, formant un e\u0301tat de la matie\u0300re qui combine structure cristalline et superfluidite\u0301. Un paralle\u0300le frappant avec les supersolides e\u0301tudie\u0301s en laboratoire. Mais comment le de\u0301montrer ?<\/p>\n

Gra\u0302ce a\u0300 un comportement particulier de ces astres en rotation rapide sur eux-me\u0302mes. Ils voient leur vitesse ralentir au fil du temps mais, parfois, leur fre\u0301quence de rotation connai\u0302t de brusques sursauts, appele\u0301s glitches, avant un retour a\u0300 la normale. La cause de ces anomalies est myste\u0301rieuse. Une e\u0301tude de 2024, mene\u0301e par Francesca Ferlaino et Massimo Mannarelli (Laboratoire de Gran Sasso, en Italie), a explore\u0301 ce phe\u0301nome\u0300ne en utilisant un mode\u0300le inspire\u0301 des supersolides e\u0301labore\u0301s a\u0300 l\u2019universite\u0301 d\u2019Innsbruck (Autriche).<\/p>\n

Les chercheurs ont fait l\u2019hypothe\u0300se qu\u2019au sein de la crou\u0302te interne des e\u0301toiles a\u0300 neutrons, des vortex quantiques sont pie\u0301ge\u0301s dans la structure cristalline et empe\u0302chent le fluide superfluide de ralentir avec le reste de l\u2019e\u0301toile. Peu a\u0300 peu, un de\u0301se\u0301quilibre s\u2019accumule entre la vitesse de rotation du superfluide et celle de la crou\u0302te. Lorsqu\u2019un seuil critique est atteint, plusieurs vortex se libe\u0300rent brutalement, permettant au superfluide de ce\u0301der une partie de son e\u0301nergie a\u0300 la crou\u0302te. Celle-ci acce\u0301le\u0300re alors brie\u0300vement, provoquant le glitch. Or, un lien entre le comportement des vortex et la dynamique du supersolide a bien e\u0301te\u0301 observe\u0301 expe\u0301rimentalement, rapporte l\u2019e\u0301tude… Ce qui ouvre la voie a\u0300 une simulation en laboratoire de ces astres aussi e\u0301tranges qu\u2019inatteignables.<\/p>\n

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