Un supersolide est un état paradoxal de la matière : il est rigide comme un cristal mais s'écoule sans friction comme un superfluide. Cette forme exotique de matière quantique n’a été réalisée que récemment dans les gaz quantiques dipolaires.
Les chercheurs dirigés par Francesca Ferlaino ont entrepris d'explorer comment les propriétés solides et superfluides d'un supersolide interagissent, notamment en rotation. L'étude est publiée dans Physique naturelle.
Dans leurs expériences, ils ont fait tourner un gaz quantique supersolide en utilisant un champ magnétique soigneusement contrôlé et ont observé un phénomène frappant.
« Les gouttelettes quantiques du supersolide sont dans un ordre périodique cristallin, toutes habillées d'un superfluide entre elles », explique Francesca Ferlaino.
« Chaque gouttelette précession suite à la rotation du champ magnétique externe ; elles tournent toutes collectivement. Lorsqu'un vortex entre dans le système, la précession et la révolution commencent à tourner de manière synchrone. »
« Ce qui nous a surpris, c'est que le cristal supersolide ne tournait pas de manière chaotique », explique Elena Poli, qui a dirigé la modélisation théorique. « Une fois les vortex quantiques formés, la structure entière s'est mise au rythme du champ magnétique externe, comme si la nature trouvait son propre rythme. »
Andrea Litvinov, qui a mené les expériences, ajoute : « C'était passionnant de voir les données s'aligner soudainement sur la théorie. Il y a eu un moment où le système a simplement « pris le rythme ».
Une nouvelle sonde pour la matière quantique
La synchronisation se produit lorsque deux ou plusieurs systèmes se mettent en rythme les uns avec les autres. C'est courant dans la nature, comme les horloges à pendule qui tournent à l'unisson, les lucioles qui clignotent ensemble ou les cellules cardiaques qui battent de manière synchronisée. L'équipe d'Innsbruck a montré que même la matière quantique exotique peut se synchroniser.
Cette découverte approfondit non seulement la compréhension de cet état inhabituel de la matière, mais offre également une nouvelle façon puissante de sonder les systèmes quantiques. En suivant la synchronisation, l’équipe a pu déterminer la fréquence critique à laquelle les vortex apparaissent, une propriété fondamentale des fluides quantiques en rotation qui a été difficile à mesurer directement.
L’équipe a combiné des simulations avancées avec des expériences délicates sur des atomes ultrafroids de dysprosium, refroidis à seulement un milliardième de degré au-dessus du zéro absolu. Grâce à une technique appelée « magnéto-agitation », ils ont pu faire tourner le supersolide et capturer son évolution avec une grande précision.
Du laboratoire au cosmos
Les résultats pourraient avoir des implications au-delà du laboratoire. On pense que des dynamiques de vortex similaires jouent un rôle dans les « problèmes » soudains observés dans les étoiles à neutrons, certains des objets les plus denses de l’univers.
« Les supersolides constituent un terrain de jeu idéal pour explorer des questions autrement inaccessibles », explique Poli. « Bien que ces systèmes soient créés dans des pièges de laboratoire de la taille d'un micromètre, leur comportement peut faire écho à des phénomènes à l'échelle cosmique. »
« Ce travail a été rendu possible grâce à l'étroite collaboration entre théorie et expérience et à la créativité des jeunes chercheurs de notre équipe », explique Francesca Ferlaino, responsable du groupe du Département de physique expérimentale de l'Université d'Innsbruck et de l'Institut d'optique quantique et d'information quantique (IQOQI) de l'Académie autrichienne des sciences (ÖAW).
La recherche a été menée en partenariat avec le Centre Pitaevskii BEC de l'Université de Trente.
