Africa-Press – Djibouti. Le monde quantique est définitivement décidé à briser toutes nos intuitions : c’est ce qu’a démontré une fois de plus une équipe de scientifiques de l’Université danoise d’Aarhus et de l’Université autrichienne d’Innsbruck. Dans une étude à la fois théorique et expérimentale publiée dans Nature communications, il démontre qu’augmenter la température dans un superfluide (état quantique de certains liquides ou gaz, où ils deviennent “infiniment fluide” et perdent toute viscosité) peut parfois donner lieu à l’apparition d’un état dit “supersolide”.
Superfluide et supersolide
Les supersolides sont un état de la matière où les particules sont ordonnées en structure dans l’espace (comme dans un solide classique donc) mais qui ont en même temps des propriétés “superfluides” : une particule peut les “traverser” sans subir de friction par exemple. Théorisés depuis le milieu des années 1950, ces cristaux supersolides ne sont observés expérimentalement que depuis la fin des années 2010. Une avancée déterminante qui a permis des progrès majeurs, comme le raconte à Sciences et Avenir Lauriane Chomaz, chercheuse sur les superfluides et supersolides quantiques à l’Université de Heidelberg (Allemagne) : “Le champ de recherche est très actif, cherchant à gagner en complexité dans les structures des réseaux cristallins observées, à comprendre les propriétés dynamiques (en particulier leur superfluidité) de ce nouvel état, et à étudier les transitions de phase.”
Ces transitions de phases sont au cœur de cette nouvelle étude :
Le monde quantique est définitivement décidé à briser toutes nos intuitions : c’est ce qu’a démontré une fois de plus une équipe de scientifiques de l’Université danoise d’Aarhus et de l’Université autrichienne d’Innsbruck. Dans une étude à la fois théorique et expérimentale publiée dans Nature communications, il démontre qu’augmenter la température dans un superfluide (état quantique de certains liquides ou gaz, où ils deviennent “infiniment fluide” et perdent toute viscosité) peut parfois donner lieu à l’apparition d’un état dit “supersolide”.
Superfluide et supersolide
Les supersolides sont un état de la matière où les particules sont ordonnées en structure dans l’espace (comme dans un solide classique donc) mais qui ont en même temps des propriétés “superfluides” : une particule peut les “traverser” sans subir de friction par exemple. Théorisés depuis le milieu des années 1950, ces cristaux supersolides ne sont observés expérimentalement que depuis la fin des années 2010. Une avancée déterminante qui a permis des progrès majeurs, comme le raconte à Sciences et Avenir Lauriane Chomaz, chercheuse sur les superfluides et supersolides quantiques à l’Université de Heidelberg (Allemagne) : “Le champ de recherche est très actif, cherchant à gagner en complexité dans les structures des réseaux cristallins observées, à comprendre les propriétés dynamiques (en particulier leur superfluidité) de ce nouvel état, et à étudier les transitions de phase.”
Ces transitions de phases sont au cœur de cette nouvelle étude : lors de l’observation de gaz ultra-froids (à des températures proches du zéro absolu) de dysprosium, les scientifiques ont eu la surprise de constater que l’augmentation de température favorisait la formation de structure supersolide. Ils ont alors mené un travail théorique plus poussé, notamment sur les fluctuations thermiques, et ont créé un modèle qui rend compte de cette étrange solidification lors du réchauffement des fluides.
Lauriane Chomaz, qui n’a pas participé à cette nouvelle étude mais à l’observation expérimentale antérieure de ce comportement dans l’équipe d’Innsbruck, l’explique en ces termes : “Dans le cas des gaz ultra-froids, l’état du système est un état quantique macroscopique : un nombre macroscopique d’atomes partage ce même état quantique unique. Les particules ne peuvent plus être considérées individuellement, elles agissent « à l’unisson ». De ce fait, les excitations thermiques ont un effet particulier sur l’état du système : par leurs interactions avec les atomes de l’état quantique macroscopique, elles modifient l’énergie de cet état et, dans certains cas comme celui observé dans cette étude, peuvent favoriser certaines structures spatiales, c’est-à-dire induire une cristallisation. Ainsi, plus d’excitations thermiques (une température plus élevée) peut conduire à la cristallisation du condensat, qui est sans structure à basse température.”
L’augmentation de la température correspondant en physique à une augmentation de l’énergie d’agitation des particules, c’est cette modification de l’énergie du système qui va provoquer ce changement contre-intuitif d’état, alors que dans notre quotidien, apporter de l’énergie a tendance à désordonner le système, donc à transformer un solide chauffé en liquide et un liquide en gaz.
“Le fait que le supersolide soit un état si contre-intuitif rend la recherche de sa compréhension encore plus importante”
Le groupe à l’origine de l’étude, en mêlant théorie et observations expérimentales, a ainsi pu déterminer le diagramme de phase (un graphique qui décrit l’état du matériau en fonction de paramètres comme la température et la pression) de son superfluide, en incluant ces propriétés étonnantes. Et les scientifiques ne comptent pas s’arrêter là, parlant de “point de départ” pour la recherche des effets thermiques dans les superfluides et supersolides.
Énormément de choses restent à faire dans ce domaine, aussi bien en théorie qu’en pratique. “Le fait que le supersolide soit un état si contre-intuitif rend la recherche de sa compréhension encore plus importante. Comprendre le supersolide dans les gaz quantiques pourrait aider à mieux comprendre les états exotiques et en découvrir de nouveaux dans d’autres systèmes quantiques tels que l’hélium froid, les solides supraconducteurs…”, pense Lauriane Chomaz.
Des systèmes notamment liés au concept de simulateur quantique, un type d’ordinateur quantique spécifiquement utilisé pour simuler et étudier des systèmes quantiques. De là à voir des applications “pratiques” de ces états supersolides originaux ? C’est un pas que la chercheuse se garde bien de franchir : “Il est possible d’être inventif et d’aller plus loin dans l’idée de la simulation quantique, en pensant que peut-être, nous pourrions utiliser les propriétés exotiques de ces nouveaux états, mais cela me semble encore très fictionnel…”
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