Un supersolide à température ambiante créé à partir de lumière et de matière

Associer ordre cristallin et écoulement sans frottement

En physique classique, la matière adopte des formes bien distinctes : les solides conservent leur ordre cristallin, tandis que les liquides s'écoulent. La mécanique quantique autorise des exceptions telles que la superfluidité, où un fluide traverse des ouvertures étroites sans frottement ni viscosité. Un supersolide combine ce mouvement sans frottement avec le réseau spatial périodique d'un cristal. Les physiciens théoriciens avaient envisagé ce double état dès les années 1960, mais les laboratoires ne l'ont confirmé qu'en 2017 à l'aide de condensats de Bose-Einstein atomiques ultrafroids, selon un rapport publié par ScienceDaily. Ces dispositifs antérieurs nécessitaient un matériel de réfrigération complexe pour refroidir les atomes à des températures proches du zéro absolu, ce qui constituait un frein majeur aux innovations pratiques.

« Nos microcavités à cristaux liquides peuvent fonctionner même à des températures proches de 60 °C »

— Professeur Wiktor Piecek, Military University of Technology

Piéger les polaritons d'exciton dans une microcavité

Pour éviter les montages cryogéniques, le consortium international TopoLight s'est tourné vers les polaritons d'exciton, des quasi-particules hybrides qui émergent lorsque les photons interagissent fortement avec la matière à l'intérieur d'une chambre optique miniature. Ces polaritons ne survivent généralement que quelques picosecondes, soit des billièmes de seconde, mais ils parviennent tout de même à se condenser en un superfluide quantique coordonné. L'équipe, qui réunissait des chercheurs de la Faculty of Physics at the University of Warsaw, de la Military University of Technology en Pologne, d'IBM Research Zurich et du Centre national de la recherche scientifique (CNRS), a testé un prototype expérimental de microcavité remplie d'un cristal liquide sur mesure et surmontée d'une couche de semi-conducteur organique.

Fonctionnement jusqu'à 60 degrés Celsius

Le dispositif expérimental s'est révélé stable bien au-dessus du point de congélation. « Nos microcavités à cristaux liquides peuvent fonctionner même à des températures proches de 60 °C », a souligné le professeur Wiktor Piecek, de la Military University of Technology, dont le groupe a développé les composants à cristaux liquides, dans les résultats rapportés par ScienceDaily. À 60 degrés Celsius (environ 140 degrés Fahrenheit), le système s'affranchit des volumineuses infrastructures de refroidissement qui confinaient jusqu'ici les expériences quantiques exotiques à des installations spécialisées à basse température.

Des franges de lumière confirment le double état

La confirmation de l'état supersolide est venue des motifs de lumière émis par l'échantillon. Le condensat a spontanément formé des franges lumineuses régulièrement espacées, révélant une modulation périodique de densité caractéristique d'un cristal solide. Ces franges lumineuses changeaient de position à chaque nouvelle impulsion laser, prouvant que cette organisation ne résultait pas d'un défaut statique figé dans la matière. Cette invention optique démontre que des états quantiques hybrides peuvent être stabilisés dans des conditions ambiantes, ce qui pourrait favoriser le développement de composants informatiques optiques et de détecteurs ultrasensibles, tout en ouvrant la voie à de nouveaux dépôts de brevets dans le domaine de la photonique quantique.

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