Pour la première fois, des chercheurs sont parvenus à convertir la lumière en supersolide, un type étrange de matériau se comportant à la fois comme un fluide et un solide grâce à ses propriétés quantiques. Alors que les précédentes expériences utilisaient des atomes ultra-froids, cette nouvelle expérience implique un semi-conducteur et un laser, offrant plus de contrôlabilité. Cet exploit pourrait contribuer à améliorer notre compréhension des états quantiques exotiques de la matière.
Théorisés pour la première fois en 1969, les supersolides sont des matériaux à mi-chemin entre les états cristallin et superfluide. Cela signifie qu’ils possèdent simultanément une viscosité nulle et une structure cristalline semblable à celle des cristaux de sel (où les atomes sont disposés de manière régulière).
À l’instar des superfluides et des supraconducteurs, ils sont caractérisés par la rupture spontanée de la symétrie de jauge (l’invariance d’un système physique sous l’effet de l’action locale d’un groupe de symétrie), mais disposent tout de même de la symétrie translationnelle des cristaux.
Étant donné que ces propriétés ne se manifestent que dans le domaine quantique, les supersolides n’ont jusqu’à présent été créés qu’au cours d’expériences basées sur les atomes refroidis à des températures extrêmement basses. Ces températures favorisent les effets quantiques qui ne se manifestent normalement que peu ou pas du tout dans des conditions ambiantes.
Pour la première fois, des chercheurs du Conseil national de la recherche (CNR), en Italie, sont parvenus à convertir la lumière en supersolide en utilisant un semi-conducteur. « Nous avons effectivement transformé la lumière en solide. C’est assez impressionnant », explique l’auteur principal de l’étude, Dimitris Trypogeorgos, au New Scientist. « Nous sommes vraiment au début de quelque chose de nouveau », ajoute-t-il.
Un nouveau supersolide plus facile à manipuler
Pour effectuer son expérience, l’équipe de Trypogeorgos a utilisé un matériau semi-conducteur composé d’une combinaison d’arséniure d’aluminium et de gallium, au lieu d’atomes ultra-froids. Présentant un motif de crêtes étroites, le matériau a été bombardé par un laser. L’interaction entre la lumière et le semi-conducteur a conduit à la formation de particules hybrides (des quasi-particules) appelées polaritons.
La configuration en crêtes a permis de contrôler la manière dont les quasi-particules se déplacent, ainsi que leur niveau d’énergie. Cela a, à son tour, permis aux polaritons de fusionner pour former un état supersolide. « [Cet état] nécessite que les particules partagent une phase macroscopique globale tout en étant capables de réduire leur énergie totale par auto-organisation spatiale spontanée », expliquent les chercheurs dans leur document, publié dans la revue Nature.
Le mécanisme qui conduit à la formation du supersolide repose sur la combinaison des processus de diffusion linéaires et non linéaires, entraînant une modulation de densité dans l’espace. © Dimitrios Trypogeorgos et al.
Toutefois, étant donné qu’aucun supersolide de ce type n’a été créé ou expérimenté auparavant, les chercheurs ont dû mesurer ses propriétés avec une extrême précision afin de confirmer qu’il s’agissait bien d’un supersolide et d’un fluide dépourvu de viscosité. Pour ce faire, ils ont effectué une mesure de la modulation de densité de l’état des polaritons avec une précision de plusieurs millièmes. Cette technique permet de détecter la rupture de la symétrie translationnelle du matériau.
« Nous fournissons ici des preuves expérimentales d’une nouvelle implémentation de la phase suprasolide dans un contexte dissipatif entraîné, hors équilibre et basé sur des excitons-polaritons condensés », affirment les chercheurs. Dans un milieu dispersif, les différentes longueurs d’onde constituant une lumière ne se propagent pas à la même vitesse.
D’après Trypogeorgos, ce nouveau supersolide créé à partir de la lumière pourrait être plus facile à manipuler que ceux créés à partir d’atomes ultra-froids. Cela ouvre la voie à une exploration approfondie de la manière dont les matériaux quantiques changent d’état lors de transitions de phase. Toutefois, davantage de mesures doivent être effectuées afin de comprendre pleinement les caractéristiques du nouveau matériau, précisent les chercheurs. Les applications à venir pourraient être potentiellement révolutionnaires.