Les gaz quantiques montrent des éclairs d'un supersolide

Il y a soixante ans, le physicien théoricien Eugene Gross a suggéré qu'une substance puisse avoir à la fois des propriétés de solide et de liquide, à condition que le liquide soit un superfluide.. Un superfluide est un état de matière pouvant couler sans frottement et dont l’existence est connue.^, dans l'hélium-4 à des températures inférieures à 2 kelvin. La substance putative de Gross était appelée supersolide. Mais malgré cette simplicité théorique, les supersolides au sens le plus pur du terme ont échappé à la détection expérimentale. Maintenant, Tanzi et al., écrit dans Lettres d'examen physiqueet Böttcher et al. et Chomaz et al., écrit dans Examen physique X, signalent les signatures transitoires de la supersolidité dans les gaz quantiques d'atomes ayant de forts moments dipolaires magnétiques.

Dans la proposition de Gross, un supersolide est décrit comme la superposition d’un liquide et une variation périodique de la densité. En d'autres termes, un supersolide comprend des gouttelettes liquides composées de nombreux atomes et formant une structure périodique (Fig. 1). Chaque gouttelette peut être décrite par son nombre d'atomes et par une propriété appelée phase quantique. Dans un supersolide, contrairement à un solide ordinaire, chaque gouttelette conserve la même phase. Une telle rigidité de phase nécessite l'échange d'atomes entre les gouttelettes et n'est possible que si les gouttelettes sont suffisamment proches les unes des autres.

Historiquement, la supersolidité était recherchée dans l'hélium-4 solide en utilisant un concept apparemment différent, mais formellement équivalent.. Sur cette image, un supersolide est une substance essentiellement cristalline dans laquelle certains défauts permettent un écoulement d'atomes adjacents, ce qui met en mouvement les voisins de ces atomes. Ce processus se poursuit jusqu'à ce que l'ensemble du cristal développe un composant fluide. En dépit de l'excitation initiale^,, la supersolidité pure n’est pas observée dans l’hélium-4 solide. Cependant, dans cette substance, des phénomènes connexes tels que la plasticité quantique géante sont mesurables et il existe des preuves croissantes d'un écoulement sans frottement le long des défauts de type ligne dislocations, comme cela a été proposé par les théoriciens.

Au cours de la dernière décennie, les systèmes à atomes froids ont repensé l’image de Gross, en raison de la contrôlabilité et de l’absence de défauts et d’impuretés dans ces systèmes. Lorsque les atomes sont refroidis à des températures proches de 0 K, ils peuvent former un état de matière appelé condensat de Bose – Einstein, qui donne lieu à un écoulement sans frottement. La difficulté de produire un supersolide réside alors dans l’imposition d’une variation périodique de la densité définie par les interactions intrinsèques des atomes dans ces systèmes extrêmement dilués. Cette imposition se fait par un mécanisme appelé ramollissement du roton.

Un roton est un minimum dans le spectre énergie-impulsion des excitations d’un superfluide. Ce minimum est situé à une valeur de la quantité de mouvement égale à l'inverse de l'espacement moyen entre les atomes. Lorsque l'énergie du roton atteint zéro, le superfluide devient instable et forme une structure qui présente une variation de densité périodique. Cette structure pourrait être, par exemple, un supersolide ou un solide ordinaire. En revanche, les approches alternatives pour observer les signatures de la supersolidité ont dépendu des perturbations externes des lasers^–, plutôt que les propriétés intrinsèques du système.

Dans les expériences en cours, Tanzi et al. et Böttcher et al. dysprosium 162, alors que Chomaz et al. utilisé des atomes de dysprosium-164 et d'erbium-166. Tous ces atomes ont des moments dipolaires magnétiques intrinsèquement forts. Les interactions de ces atomes ont les ingrédients théoriquement requis pour la supersolidité: un composant répulsif à courte portée (contact) accordable et un composant attractif à longue portée (dipolaire). Auparavant, certains auteurs du Böttcher et al. papier et leurs collègues ont réussi à produire une variation périodique de la densité dans un système d'atomes de dysprosium-164^,. Mais les gouttelettes dans l'état résultant étaient trop éloignées les unes des autres, entraînant la perte d'écoulement sans frottement.

Cependant, il a été élaboré théoriquement que, dans certaines conditions, il existe une fenêtre étroite entre le rapport force d'interaction dipolaire / force d'interaction de contact pour lequel les gouttelettes sont suffisamment proches les unes des autres pour conserver la rigidité de la phase. En accordant un champ magnétique externe, qui modifie la façon dont les atomes se dispersent lorsqu'ils se heurtent, les auteurs des articles actuels réduisent la force de l'interaction de contact, ramenant les trois expériences dans le régime de paramètres souhaité. Les chercheurs ont ensuite libéré les gaz des pièges dans lesquels ils avaient été formés et laissé les ondes de matière associées aux atomes s’interférer. Les modèles d'interférence résultants contenaient une structure à double sommet qui caractérise la supersolidité.

Dans toutes les expériences, les pics étaient des phénomènes transitoires dus à des pertes à trois corps – des pertes d'atomes qui se produisent lorsqu'un couple d'atomes forme un état moléculaire lié à l'aide d'un troisième partenaire de collision. La durée de vie des propriétés supersolides allait de quelques dizaines de millisecondes pour les atomes de dysprosium-162 et d'erbium-166 à 150 ms pour les atomes de dysprosium-164. Pour ces derniers atomes, la force d'interaction de contact est inférieure à la force d'interaction dipolaire. Cette caractéristique rend possible un protocole de refroidissement techniquement avantageux qui évite les excitations et les dynamiques indésirables.

Les limites actuelles des études sont que chacune des expériences implique seulement une poignée de gouttelettes, ainsi qu'un jeu complexe entre les gouttelettes et les pièges allongés axialement (en forme de cigare). Les futures études devraient traiter de ces problèmes, viser une manifestation directe de la rigidité de la phase et étudier les excitations d’un supersolide. Une autre preuve convaincante de la supersolidité impliquerait de laisser un superfluide s'écouler dans un futur supersolide – une situation qui n'est pas possible pour les fluides et les solides ordinaires.