Pour la première fois, des chercheurs ont réussi à transformer la lumière en un état de matière étrange: le supersolide. Ce matériau quantique combine les propriétés d'un solide cristallin et d'un fluide sans viscosité, ouvrant de nouvelles perspectives pour la recherche en physique de la matière condensée.
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Cette découverte marque une étape importante dans l'étude des états quantiques exotiques. Contrairement aux expériences précédentes, qui utilisaient des atomes refroidis à des températures extrêmes, cette nouvelle approche repose sur un semi-conducteur et un laser, offrant une plus grande flexibilité expérimentale.
Un état de matière aux propriétés uniques
Les supersolides sont des matériaux théoriquement prédits depuis les années 1960. Ils possèdent une structure cristalline ordonnée, tout en se comportant comme un superfluide, c'est-à-dire sans viscosité. Ces propriétés contradictoires résultent d'effets quantiques qui ne se manifestent que dans des conditions très spécifiques, où les particules partagent une phase commune tout en s'organisant spatialement pour minimiser leur énergie.
Jusqu'à présent, les supersolides n'avaient été observés qu'avec des atomes ultra-froids, où les effets quantiques dominent. Ces expériences nécessitaient des températures proches du zéro absolu, rendant les manipulations limitées. Cette nouvelle approche, utilisant des polaritons générés par l'interaction entre la lumière et un semi-conducteur, permet de créer un supersolide à température ambiante, une première dans le domaine.
Les polaritons, ces particules hybrides, combinent les propriétés de la lumière et de la matière. Ils permettent de reproduire les caractéristiques d'un supersolide dans un système plus accessible et contrôlable. Cette avancée ouvre la voie à de nouvelles études sur les transitions de phase quantiques et pourrait avoir des applications dans le développement de technologies quantiques.
Une expérience innovante
Les chercheurs ont utilisé un semi-conducteur en arséniure d'aluminium-gallium, un matériau courant dans les technologies optoélectroniques. En dirigeant un laser sur ce semi-conducteur, ils ont généré des polaritons, des particules hybrides issues de l'interaction entre la lumière et la matière. Ces quasi-particules ont été contrôlées grâce à un motif de crêtes microscopiques gravées sur le semi-conducteur, permettant de structurer leur mouvement et leur énergie.
Ces crêtes ont joué un rôle clé en forçant les polaritons à s'organiser en un état supersolide. Dans cet état, les particules partagent une phase commune tout en minimisant leur énergie, créant ainsi une structure à la fois ordonnée et fluide. Les chercheurs ont ensuite mesuré avec précision les propriétés de ce nouvel état, confirmant à la fois sa structure cristalline et son absence de viscosité, deux caractéristiques essentielles d'un supersolide.
Cette expérience marque une rupture par rapport aux méthodes traditionnelles, qui reposaient sur des atomes ultra-froids. En utilisant un système photonique, les chercheurs ont démontré qu'il est possible de créer et de manipuler des supersolides dans des conditions moins extrêmes. Cette approche ouvre de nouvelles perspectives pour l'étude des matériaux quantiques et pourrait faciliter la découverte d'états de matière encore inconnus.
Pour aller plus loin: Qu'est-ce qu'un polariton ?
Un polariton est une quasi-particule hybride résultant de l'interaction entre la lumière et la matière. Il se forme lorsque des photons, les particules de lumière, se couplent à des excitons, des états excités de la matière dans un semi-conducteur. Cette combinaison donne au polariton des propriétés uniques, à mi-chemin entre celles de la lumière et de la matière.
Les polaritons sont particulièrement intéressants en physique quantique car ils permettent d'explorer des phénomènes comme la condensation de Bose-Einstein à des températures plus accessibles que celles requises pour les atomes. Ils se comportent comme des particules massives tout en conservant certaines caractéristiques de la lumière, comme la capacité à se déplacer rapidement.
Dans l'expérience récente, les polaritons ont été utilisés pour créer un état supersolide. Leur capacité à s'auto-organiser et à partager une phase commune en fait des candidats idéaux pour étudier des états quantiques exotiques. Cette flexibilité ouvre la voie à de nouvelles recherches sur les matériaux quantiques et leurs applications potentielles.