Des chercheurs confirment l'existence de la supersolidité

Dans notre vie quotidienne, la matière peut se présenter sous quatre états classiques: solide, liquide, gaz et plasma.

Mais les scientifiques s'intéressent depuis longtemps à des états dits "exotiques" de la matière, qui se forment à des températures proches du zéro absolu (-273.15 degrés Celsius), à des niveaux d'énergie très élevés ou à des niveaux de gravité et de densité extrême comme dans les trous noirs.

Dans ces conditions, la matière présente des propriétés physiques ou des comportements très différents de ceux observés dans les états classiques.

Ainsi, les fluides normaux (les liquides et les gaz) ont une résistance plus ou moins grande à l'écoulement, appelée viscosité - l'huile est par exemple plus visqueuse que l'eau.

Les superfluides, eux, n'ont pas de viscosité: ils s'écoulent sans perte d'énergie, ce qui leur permet de circuler indéfiniment dans un contenant sans ralentir.

Il y a plus de 50 ans, des physiciens ont prédit l'existence d'un état supersolide. Dans celui-ci, la matière présente à la fois les propriétés d'un solide classique, avec une structure cristalline, et d'un superfluide, où une fraction des atomes s'écoule sans viscosité à travers le réseau solide.
Etoiles à neutrons
La structure cristalline de ces supersolides avait déjà été imagée, mais jusqu'à présent leur superfluidité n'avait été que déduite de diverses observations.

"Il manquait encore à notre travail une observation directe d'une des propriétés caractéristiques et fondamentales de la superfluidité: l'écoulement sans rotation", souligne Francesca Ferlaino, qui a dirigé les recherches publiées mercredi dans Nature.

"Imaginez que vous avez une tasse de café et que vous lui donnez un petit tour avec une cuillère. Vous verrez le café tourner autour du centre, un exemple classique de vortex dans un fluide ordinaire", explique à l'AFP la physicienne de l'Université d'Innsbruck (Autriche).

Si on remplace le café par un superfluide, celui-ci ne tourne pas avec la cuillère, il reste parfaitement immobile comme si rien ne l'avait dérangé.

"Cependant, si vous tournez la cuillère plus vite, au lieu de former un grand tourbillon au centre, une série de petits tourbillons (appelés vortex quantifiés) commencent à apparaître. Ce sont comme de petits trous dans le fluide, chacun tournant à une vitesse spécifique, qui s'organisent en de beaux motifs réguliers à la surface du superfluide, presque comme les trous d’un morceau de gruyère", poursuit Mme Ferlaino.

Son équipe est parvenue à créer et observer en laboratoire ces vortex quantifiés. Un exploit particulièrement difficile à réaliser.

En 2021, l'équipe d'Innsbruck avait déjà réussi à créer un supersolide à longue durée de vie, en refroidissant certains atomes et molécules à très basse température.

Il a ensuite fallu trouver un moyen d'agiter ce supersolide sans détruire son état fragile. Les chercheurs ont utilisé des champs magnétiques pour le faire tourner avec précaution. Ce qui a entraîné la formation de vortex quantifiés.

Ces travaux fournissent "une preuve forte et directe de la double nature d'un état supersolide", souligne Mme Ferlaino.

Ils vont aussi permettre d'observer en laboratoire des phénomènes physiques qui ne se produisent dans la nature que dans des conditions extrêmes.

Comme récréer ce qui se passe au coeur des étoiles à neutrons, ces astres extrêmement denses et compacts nés de l'effondrement d'étoiles massives.

"On suppose que les variations de vitesse de rotation dans les étoiles à neutrons - appelées +glitches+ - sont causées par des superfluides piégés à l'intérieur. Notre plateforme offre l'opportunité de simuler de tels phénomènes ici sur Terre", explique le chercheur Thomas Bland, qui a participé à l'étude, dans un communiqué de presse.