Pour la toute première fois, des physiciens ont réussi à créer de la « lumière liquide » à température ambiante, rendant cet état étrange de la matière plus accessible que jamais.

Cette matière est à la fois un superfluide, qui n’a aucune viscosité, et une sorte de condensat de Bose-Einstein (parfois décrit comme le cinquième état de la matière). Il permet à la lumière de circuler librement autour des objets.

La lumière dite ordinaire se comporte comme une onde, parfois comme une particule, voyageant toujours en ligne droite. Mais dans certaines conditions extrêmes, la lumière peut également agir comme un liquide, et littéralement couler autour des objets.

Les condensats de Bose-Einstein sont intéressants pour les physiciens, car dans cet état, les règles passent de la physique classique à la physique quantique, et la matière commence à acquérir davantage de propriétés ondulatoires. Ces derniers se forment à des températures proches du zéro absolu et n’existent que durant des fractions de seconde.

Mais dans le cadre de cette étude, les chercheurs affirment avoir réussi à créer un condensat de Bose-Einstein à température ambiante, en utilisant un mélange de lumière et de matière. « L’observation extraordinaire dans notre travail est que nous avons démontré que la superfluidité peut également se produire à température ambiante, lors de conditions ambiantes, à l’aide de particules de matière appelées polaritons », explique le chercheur principal Daniele Sanvitto, de l’Institut de Nanotechnologie CNR NANOTEC, en Italie.

Les polaritons sont des quasi-particules issues du couplage fort entre une onde lumineuse et une onde de polarisation électrique. Bien que les polaritons ne sont pas des particules élémentaires (comme les photons ou les électrons), ils se comportent à peu près comme ces dernières, en raison des règles de la théorie quantique.

Créer ces polaritons a impliqué un équipement et une ingénierie d’échelle nanométrique. Les chercheurs ont mis en place une cavité optique formée de deux miroirs. En effet, une couche de molécules organiques de 130 nanomètres d’épaisseur, se situait entre deux miroirs ultra-réfléchissants et les scientifiques l’ont bombardé avec des impulsions laser de 35 femtosecondes (1 femtoseconde équivaut à 10-15 seconde). Cela a eu pour conséquence de littéralement forcer la lumière à s’écouler comme un liquide quantique superfluide autour d’un obstacle, au lieu de se diffuser comme une onde classique. « De cette façon, nous pouvons combiner les propriétés des photons – telles que leur masse extrêmement faible et leur vitesse très élevée – avec de fortes interactions en raison de la présence d’électrons au sein des molécules », explique un membre de l’équipe de recherche, Stéphane Kéna-Cohen, de l’École Polytechnique de Montréal, au Canada.

Le superfluide résultant possédait quelques étranges propriétés. En effet, dans des conditions normales, lorsqu’un liquide s’écoule, il crée des ondulations et des tourbillons. Mais ce n’est pas le cas pour un superfluide. Comme vous pouvez le constater dans l’image de comparaison ci-dessous, le flux de polaritons est perturbé comme des ondes dans des conditions normales, mais pas dans un superfluide :

superfluide liquide lumière

Le flux de polaritons rencontre un obstacle non superfluide (en haut) et un obstacle superfluide (en bas). Crédits : Polytechnique Montréal

« Dans un superfluide, cette turbulence est supprimée autour des obstacles, ce qui fait que le flux continue son chemin sans modification », explique Kéna-Cohen.

Les chercheurs suggèrent que ces résultats ouvrent à présent la voie, non seulement aux nouvelles études de l’hydrodynamique quantique, mais également aux dispositifs à polaritons à température ambiante pour le développement de futures technologies avancées, comme la production de matériaux supra-conducteurs pour des appareils tels que les LED, les panneaux solaires et les lasers.

« Le fait qu’un tel effet soit observé dans des conditions ambiantes peut apporter une énorme quantité d’opportunités de recherches dans le futur », explique l’équipe. « Non seulement pour étudier les phénomènes fondamentaux liés aux condensats de Bose-Einstein, mais aussi dans le but de concevoir et créer de futurs dispositifs à base de superfluides photoniques, où les pertes sont complètement supprimées, et de nouveaux phénomènes inattendus peuvent être exploités », a conclu l’équipe.

Source : Nature Physics

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