Supersolide - Supersolid
| La physique de la matière condensée |
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En physique de la matière condensée , un supersolide est un matériau spatialement ordonné avec des propriétés superfluides . Dans le cas de l' hélium-4 , il a été conjecturé depuis les années 1960 qu'il pourrait être possible de créer un supersolide. À partir de 2017, une preuve définitive de l'existence de cet état a été fournie par plusieurs expériences utilisant des condensats atomiques de Bose-Einstein . Les conditions générales requises pour que la supersolidité émerge dans une certaine substance sont un sujet de recherche en cours.
Fond
Un supersolide est un état quantique spécial de la matière où les particules forment une structure rigide et ordonnée dans l'espace, mais s'écoulent également avec une viscosité nulle . Ceci est en contradiction avec l'intuition selon laquelle l'écoulement, et en particulier l' écoulement superfluide à viscosité nulle, est une propriété exclusive à l' état fluide , par exemple les fluides supraconducteurs à électrons et à neutrons, les gaz avec des condensats de Bose-Einstein ou les liquides non conventionnels tels que l'hélium. 4 ou de l' hélium-3 à température suffisamment basse. Pendant plus de 50 ans, il était donc difficile de savoir si l'état supersolide peut exister.
Expériences utilisant l'hélium
Alors que plusieurs expériences ont donné des résultats négatifs, dans les années 1980, John Goodkind a découvert la première anomalie dans un solide en utilisant des ultrasons . Inspirés par son observation, en 2004, Eun-Seong Kim et Moses Chan de l'Université d'État de Pennsylvanie ont vu des phénomènes interprétés comme un comportement supersolide. Plus précisément, ils ont observé un moment d'inertie de rotation non classique d'un oscillateur de torsion. Cette observation ne pouvait pas être expliquée par les modèles classiques mais était cohérente avec le comportement de type superfluide d'un petit pourcentage des atomes d'hélium contenus dans l'oscillateur.
Cette observation a déclenché un grand nombre d'études de suivi pour révéler le rôle joué par les défauts cristallins ou les impuretés d'hélium-3. D'autres expérimentations ont mis en doute l'existence d'un véritable supersolide dans l'hélium. Plus important encore, il a été montré que les phénomènes observés pouvaient s'expliquer en grande partie par des changements dans les propriétés élastiques de l'hélium. En 2012, Chan a répété ses expériences originales avec un nouvel appareil conçu pour éliminer de telles contributions. Dans cette expérience, Chan et ses coauteurs n'ont trouvé aucune preuve de supersolidité.
Expériences utilisant des gaz quantiques ultrafroids
En 2017, deux groupes de recherche de l'ETH Zurich et du MIT ont signalé la création d'un gaz quantique ultrafroid aux propriétés supersolides. Le groupe de Zurich a placé un condensat de Bose-Einstein à l' intérieur de deux résonateurs optiques, ce qui a amélioré les interactions atomiques jusqu'à ce qu'elles commencent à se cristalliser spontanément et à former un solide qui maintient la superfluidité inhérente aux condensats de Bose-Einstein. Ce réglage réalise une forme spéciale de supersolide, ce qu'on appelle le supersolide en réseau, où les atomes sont épinglés aux sites d'une structure en réseau imposée de l'extérieur. Le groupe du MIT a exposé un condensat de Bose-Einstein dans un potentiel à double puits à des faisceaux lumineux qui ont créé un couplage spin-orbite efficace. L'interférence entre les atomes sur les deux sites du réseau couplé spin-orbite a donné lieu à une modulation de densité caractéristique.
En 2019, trois groupes de Stuttgart, Florence et Innsbruck ont observé des propriétés supersolides dans des condensats dipolaires de Bose-Einstein formés à partir d' atomes de lanthanides . Dans ces systèmes, la supersolidité émerge directement des interactions atomiques, sans avoir besoin d'un réseau optique externe. Cela a également facilité l'observation directe de l'écoulement superfluide et donc la preuve définitive de l'existence de l'état supersolide de la matière.
En 2021, le dysprosium a été utilisé pour créer un gaz quantique supersolide bidimensionnel.
Théorie
Dans la plupart des théories de cet état, on suppose que les lacunes - des sites vides normalement occupés par des particules dans un cristal idéal - conduisent à la supersolidité. Ces lacunes sont causées par l' énergie du point zéro , ce qui les fait également se déplacer d'un site à l'autre sous forme de vagues . Parce que les lacunes sont des bosons , si de tels nuages de lacunes peuvent exister à des températures très basses, alors une condensation de Bose-Einstein de lacunes pourrait se produire à des températures inférieures à quelques dixièmes de kelvin. Un flux cohérent de lacunes équivaut à un "superflux" (flux sans friction) de particules dans la direction opposée. Malgré la présence du gaz des lacunes, la structure ordonnée d'un cristal est maintenue, bien qu'avec moins d'une particule sur chaque site du réseau en moyenne. Alternativement, un supersolide peut également émerger d'un superfluide. Dans cette situation, qui est réalisée dans les expériences avec les condensats atomiques de Bose-Einstein, la structure spatialement ordonnée est une modulation au-dessus de la distribution de densité superfluide.