Des chercheurs ont créé une nouvelle forme de matière en utilisant un gaz de Fermi unitaire et une cavité optique. Cette matière présente des interactions extrêmes entre les particules, qui sont à la fois locales et à longue distance. Cette découverte pourrait améliorer notre compréhension des matériaux complexes et aider à résoudre certains des grands mystères de la physique, comme la supraconductivité à haute température.
La physique quantique, avec ses paradoxes et ses mystères, a longtemps été considérée comme le domaine des théoriciens. Cependant, des chercheurs du monde entier sont en train de transformer cette science abstraite en technologies concrètes. L’un des domaines les plus prometteurs est celui de la matière quantique, où des particules subatomiques sont manipulées pour créer de nouvelles formes de matière et des nouvelles technologies.
C’est dans ce contexte que des chercheurs de l’Université d’Innsbruck et de l’EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) ont fait une découverte significative. La première concerne la création de structures cristallines, appelées « ondes de densité », dans des gaz atomiques. Cette avancée pourrait nous aider à mieux comprendre le comportement de la matière quantique à des températures proches du zéro absolu. L’étude est publiée dans la revue Nature.
Les ondes de densité témoignent d’un ordre caché de la matière
Les ondes de densité sont un phénomène qui se produit dans divers types de matériaux, y compris les métaux, les isolants et les supraconducteurs. Chaque type de matériau présente des caractéristiques uniques qui peuvent influencer la manière dont les ondes de densité se forment et se comportent.
Elles sont le résultat d’un ordre intrinsèque qui se manifeste lorsque les particules d’un matériau s’organisent en un motif régulier et répétitif. Le physicien théoricien Farokh Mivehvar de l’Université d’Innsbruck et co-auteur de l’étude, explique dans un communiqué : « Cependant, les étudier est un défi, surtout lorsque cet ordre (le motif alterné des particules dans l’onde) concorde avec d’autres types d’ordres tels que la superfluidité — une propriété qui permet aux particules de circuler sans résistance ». Lorsque la superfluidité est présente, elle peut coexister avec les ondes de densité, ce qui rend l’analyse de ces systèmes encore plus complexe.
La superfluidité et les ondes de densité sont deux exemples de ce que l’on appelle les « états quantiques de la matière ». Ces états sont le résultat de l’interaction complexe entre les particules à des températures extrêmement basses. Comprendre comment ces états coexistent et interagissent entre eux est l’un des grands défis de la physique quantique moderne.
Une nouvelle approche expérimentale avec l’interaction lumière-matière
Pour explorer l’interaction entre les ondes de densité et la superfluidité, les chercheurs ont créé un « gaz de Fermi unitaire ». Ce gaz est composé d’atomes de lithium refroidis à des températures extrêmement basses, proches du zéro absolu. À ces températures, les atomes entrent fréquemment en collision les uns avec les autres, ce qui crée un environnement idéal pour étudier les interactions quantiques.
Rappelons que le gaz de Fermi unitaire est un système unique, car il présente une interaction forte entre les particules tout en restant suffisamment simple pour être étudié théoriquement. Une fois le gaz de Fermi créé, les chercheurs l’ont placé dans une cavité optique. Il s’agit d’un dispositif qui permet de confiner la lumière dans un petit espace pendant une longue période. Elle est constituée de deux miroirs placés face à face, entre lesquels la lumière peut rebondir des milliers de fois sans s’échapper.
Dans cette cavité, un photon — une particule de lumière — émis par un atome peut rebondir entre les miroirs et être réabsorbé par un autre atome, quel que soit l’éloignement de ce dernier par rapport au premier. Cela crée une interaction à longue distance entre les atomes, difficile à obtenir dans d’autres systèmes. Lorsqu’un nombre suffisant de photons sont émis et réabsorbés, les atomes du gaz de Fermi commencent à s’organiser collectivement en un motif d’onde de densité.
Une nouvelle forme de matière
Le professeur Jean-Philippe Brantut de l’EPFL, co-auteur de l’étude, déclare : « [Cette] combinaison d’atomes entrant directement en collision les uns avec les autres dans le gaz de Fermi, tout en échangeant simultanément des photons sur de longues distances, est un nouveau type de matière où les interactions sont extrêmes et accordables ».
Dans ce système, les interactions entre les particules peuvent être ajustées en modifiant les conditions de l’expérience, comme la température ou la densité du gaz. Cette nouvelle forme de matière est unique dans le sens qu’elle permet des interactions à la fois locales (les collisions directes entre les atomes) et à longue distance (médiées par l’échange de photons). Cela crée un environnement riche pour l’étude des phénomènes quantiques, où les effets de la mécanique quantique peuvent être observés à une échelle macroscopique.
Les chercheurs espèrent que cette découverte améliorera notre compréhension de certains des matériaux les plus complexes. En effet, de nombreux matériaux présentent des comportements exotiques à basse température ou à haute pression, qui sont souvent le résultat d’interactions quantiques complexes, comme mentionné précédemment.
En étudiant cette nouvelle forme de matière, il serait possible d’appréhender la supraconductivité à haute température, un phénomène où certains matériaux peuvent conduire l’électricité sans résistance à des températures beaucoup plus élevées que prévu. Cela pourrait avoir des implications majeures pour la technologie, de l’énergie à l’informatique, en permettant un transfert et un stockage d’énergie plus efficaces ou la conception d’ordinateurs quantiques viables.
