À quoi ressemble un superfluide quantique « 2D » au toucher ? Une récente expérience révèle la réponse

Une étude dévoile le comportement unique des superfluides quantiques bidimensionnels et leur interaction avec les quasi-particules. Les résultats, issus d’une expérience inédite, permettront d’approfondir notre compréhension des phénomènes quantiques et pourraient même influencer à terme le développement de dispositifs quantiques, notamment en mettant en lumière les principes de transport de la matière à des échelles nanométriques.

L’exploration des propriétés des superfluides quantiques représente un jalon critique pour la physique moderne. Récemment, une équipe de chercheurs de l’Université de Lancaster, dirigée par Dmitry E. Zmeev, a franchi une étape significative en caractérisant le comportement d’un superfluide quantique bidimensionnel.

Le travail, publié dans la revue Nature Communications, met en lumière les interactions subtiles des quasi-particules liées à la surface d’un superfluide 3He à des températures proches du zéro absolu. Il nous en dit ainsi plus sur les états quantiques de la matière et leurs applications potentielles aux technologies quantiques.

La découverte d’un nouveau monde en deux dimensions

Le Dr Autti, co-auteur de l’étude, explique dans un communiqué : « En termes pratiques, nous ne connaissons pas la réponse à la question ‘qu’est-ce que ça fait de toucher la physique quantique ?‘ ». Il ajoute : « Personne n’a été en mesure de répondre à cette question au cours des 100 ans d’histoire de la physique quantique. Nous montrons maintenant que, au moins concernant le superfluide 3 He, il est possible de répondre à cette question ».

Le superfluide 3He, lorsqu’il est refroidi à des températures avoisinant le zéro absolu, entre dans un état exotique de la matière connu sous le nom de phase B. Cette phase est caractérisée par la formation de paires de Cooper, des paires d’électrons liés qui se déplacent ensemble à travers le superfluide sans résistance. Cependant, lorsque ces paires sont perturbées, elles se séparent et libèrent des quasi-particules, des excitations qui portent l’énergie et la quantité de mouvement à travers le superfluide, jouant ainsi un rôle essentiel dans les propriétés de transport du système.

Dans les travaux de Zmeev, il est démontré que ces quasi-particules acquièrent un comportement particulier lorsqu’elles sont à proximité des parois du conteneur qui maintient le superfluide. Elles se retrouvent confinées dans un espace bidimensionnel, un puits quantique créé par le potentiel de la paroi, où elles peuvent subsister à des niveaux d’énergie très bas.

Un superfluide à deux visages

Pour mettre en évidence cette propriété, les auteurs ont réalisé des expériences à environ 1/10 000e de degré au-dessus du zéro absolu, dans un réfrigérateur spécial, et ont utilisé un résonateur mécanique (de la taille d’un doigt) pour sonder le superfluide.

Dans cet environnement ultra-froid du superfluide 3He, les quasi-particules qui sont confinées à la surface du conteneur se comportent différemment de celles dans le volume du superfluide. Ces quasi-particules de surface se déplacent de manière cohérente à une vitesse constante, formant un flux régulier qui est isolé des mouvements plus erratiques des quasi-particules dans le superfluide tridimensionnel.

Lorsqu’une sonde mécanique est introduite dans ce système délicat et mise en mouvement, elle interagit avec le superfluide de manière non invasive jusqu’à ce qu’elle atteigne une certaine vitesse critique. Au-delà de ce seuil, la sonde commence à perturber les quasi-particules de surface, les propulsant dans le superfluide (plus en profondeur). Cette éjection est un phénomène clé : elle signale un transfert d’énergie et de quantité de mouvement des quasi-particules de surface vers celles du volume.

Une fenêtre sur la diffusion quantique

Cette expérimentation était focalisée sur le phénomène d’évasion des quasi-particules de la surface vers le volume du superfluide. En observant comment ces quasi-particules s’échappent, les chercheurs ont pu déduire les caractéristiques du mouvement des quasi-particules qui restent attachées à la surface. Ils ont constaté que ces quasi-particules de surface ne sont pas influencées par les phonons, des quanta d’énergie vibratoire (sonore) dans les parois du conteneur, ni par les quasi-particules thermiques présentes dans le superfluide tridimensionnel.

Ce qui est particulièrement remarquable, c’est que ces quasi-particules de surface diffusent entre elles au sein du superfluide bidimensionnel. Cette diffusion n’est pas aléatoire, mais suit un modèle temporel spécifique, cohérent avec le comportement attendu de particules dans un état lié en deux dimensions.

Cela signifie que les quasi-particules de surface forment un système distinct, avec des interactions et des mouvements qui leur sont propres, séparés des influences externes. Cette observation est cruciale, car elle indique que le superfluide en deux dimensions peut être considéré comme un système quantique isolé, avec des propriétés de diffusion et de transport uniques. Cette caractéristique pourrait être exploitée pour des applications en nanotechnologie et en informatique quantique.

Source : Nature Communications