Des physiciens observent un état supersolide de lumière et de matière à température ambiante
Une microcavité optique construite par des chercheurs européens combine écoulement superfluide et ordre cristallin sans refroidissement cryogénique
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Des physiciens de l'université de Varsovie, d'IBM Research Zurich et d'institutions partenaires ont observé un état supersolide de la matière à température ambiante. Cette découverte scientifique, publiée dans Science Advances, se passe de l'équipement cryogénique jusqu'ici nécessaire à l'étude de ce double état quantique.
Fusionner l'ordre cristallin et la viscosité nulle dans une cavité optique
Des physiciens de la faculté de physique de l'université de Varsovie, de l'université militaire de technologie de Pologne, d'IBM Research Zurich et du CNRS français ont produit un supersolide au sein d'un condensat de Bose-Einstein d'exciton-polaritons, comme le rapporte Phys.org. Les théoriciens avaient prédit les supersolides dans les années 1960, et les expérimentateurs les ont confirmés pour la première fois à l'aide d'atomes ultrafroids en 2017. Cet état combine un écoulement superfluide sans frottement et le motif spatial périodique d'un cristal. Au lieu de refroidir des nuages atomiques près du zéro absolu, le consortium de recherche TopoLight a piégé des quasiparticules hybrides de lumière et de matière dans une microcavité, en utilisant le couplage lumière-matière pour maintenir l'état quantique dans des conditions ambiantes normales — une innovation scientifique qui fait le lien entre physique fondamentale et dispositifs pratiques.
« Nos microcavités à cristaux liquides peuvent fonctionner même à des températures approchant 60 °C. »
Prof. Wiktor Piecek, université militaire de technologie
« C'est un exemple d'école de brisure spontanée de symétrie. La théorie prévoyait que le supersolide pourrait choisir parmi plusieurs états équivalents, et c'est exactement ce que nous avons observé. »
Prof. Guillaume Malpuech, Institut Pascal (CNRS)
Des cristaux liquides et des semi-conducteurs organiques qui tiennent jusqu'à 60 degrés
Le dispositif expérimental utilise une microcavité optique remplie d'un cristal liquide et revêtue d'un film mince du semi-conducteur organique MeLPPP, abréviation de poly(paraphénylène) de type échelle substitué par des groupes méthyle. Selon le professeur Wiktor Piecek, de l'université militaire de technologie, dont l'équipe a conçu les structures à cristaux liquides, ces assemblages peuvent fonctionner à des températures approchant 60 °C. Les exciton-polaritons présents dans la cavité ne persistent que quelques picosecondes. Cette brève durée de vie laisse aux particules hybrides le temps de condenser et de se comporter comme un superfluide quantique sans frottement, sans unités de réfrigération complexes.
Franges, hélices de spin et brisure spontanée de symétrie
Lorsque les chercheurs ont stimulé l'échantillon par des impulsions laser, la lumière émise s'est organisée en franges brillantes régulièrement espacées. Ces franges ont servi de preuve optique que le condensat formait une modulation de densité périodique correspondant à un réseau cristallin. Les franges se décalaient aussi de position à chaque impulsion suivante. Le professeur Guillaume Malpuech, de l'Institut Pascal au CNRS, a noté que le système quantique a spontanément sélectionné l'une de plusieurs configurations équivalentes, ce qui démontre une brisure spontanée de symétrie. Le condensat a créé en même temps une hélice de spin persistante, produisant une modulation périodique de la polarisation de la lumière parallèlement au motif spatial d'intensité.
Limites de fabrication et perspectives pour le matériel optique
Les matériaux expérimentaux se dégradent rapidement. Le Dr Marcin Muszyński, premier auteur de l'étude et chercheur postdoctoral au City College of New York, a indiqué que le semi-conducteur organique réagissait chimiquement avec le cristal liquide au fil du temps, ne laissant aux chercheurs que quelques heures après l'assemblage pour achever les mesures avant de devoir construire une nouvelle pièce. Les films minces de MeLPPP déposés à IBM Research Zurich ont permis au groupe d'enregistrer les données nécessaires avant que la dégradation ne s'installe. Démontrer la supersolidité sans réfrigération à l'hélium liquide offre une base pratique au transfert de technologie dans les dispositifs optiques ultrarapides, les circuits photoniques à température ambiante et les architectures informatiques neuromorphiques conçues pour l'intelligence artificielle, ce qui fait de cette invention un socle prometteur pour de futures demandes de brevet.
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