Pour la première fois, les chercheurs ont transformé la lumière en un « supersolide » – un étrange état de matière à la fois solide et liquide à la fois.
Bien que les scientifiques aient déjà fait des supersolides à partir d’atomes, il s’agit du premier exemple de couplage de la lumière et de la matière pour créer un supersolide et il ouvre de nouvelles portes pour étudier la physique condensée, les chercheurs ont expliqué dans un article publié le 5 mars dans le journal Science.
Mais qu’est-ce qu’un supersolide exactement, et pourquoi ce nouveau développement est-il si excitant? Voici tout ce que vous devez savoir.
Qu’est-ce qu’un supersolide?
Les supersolides sont un étrange état de matière défini par mécanique quantique où les particules se condensent en un solide ordonné et cristallin, mais se déplacent également comme un liquide qui n’a pas de viscosité. (La viscosité fait référence au frottement interne d’une substance, régissant la façon dont il coule en douceur). Habituellement, les solides ne se déplacent pas seuls, mais les supersolides changent de direction et de densité en fonction des interactions des particules tout en maintenant une structure de réseau organisée.
Pourquoi les supersolides sont-ils si froids?
Les supersolides nécessitent des températures extrêmement basses pour se former – généralement très proche de zéro absolu (moins 459,67 degrés Fahrenheit, ou moins 273,15 degrés Celsius). La plupart des particules doivent occuper l’état d’énergie le plus bas disponible, et la chaleur fait sauter les particules de haut en bas comme des tout-petits excitables dans une fosse à billes.
Si un matériau est suffisamment froid, la température n’obscurcit plus la façon dont les particules interagissent les unes avec les autres. Au lieu de cela, les minuscules effets de la mécanique quantique deviennent les facteurs déterminants de la façon dont le matériau se comporte.
Imaginez que les tout-petits soient rentrés chez eux et que la fosse à balle s’est installée dans un état calme. Maintenant, nous pouvons étudier en paix comment les composants individuels de la fosse à balles interagissent entre eux pour définir ses caractéristiques.
Comment un liquide ne peut-il avoir aucune viscosité?
La viscosité est une mesure de la facilité avec laquelle un fluide modifie sa forme. Un liquide avec une viscosité plus élevée a tendance à s’en tenir davantage à lui-même et, par conséquent, à résister au mouvement, comme la façon dont le sirop se déplace plus lentement lorsqu’il est versé à partir d’un récipient par rapport à la façon dont l’eau se jette à partir d’un robinet. Tous les fluides, à l’exception des superfluides et des supersolides, ont une certaine viscosité.
L’exemple le plus connu d’un liquide sans viscosité est refroidi par l’hélium à des températures à quelques degrés de zéro absolu. Les particules ne sont pas complètement à zéro absolue; – ils se remuent un peu à cause de le principe de l’incertitude. Dans le cas de l’isotope de l’hélium-4, ils se déplacent beaucoup – suffisamment pour rendre impossible un échantillon d’hélium-4 pour devenir solide à zéro absolu, à moins qu’il y ait environ 25 atmosphères de pression appliquées pour vraiment écraser les particules ensemble.
Les torchages de l’hélium-4 à zéro absolu et d’autres phénomènes quantiques provoquent des changements drastiques dans la façon dont le fluide agit. Il cesse d’avoir des frictions (et, par conséquent, n’a pas de viscosité) et peut rapidement se siphonner à partir de conteneurs, entre autres.
Comment pouvons-nous transformer la lumière en solide?
Les supersolides ont été Fabriqué à partir de gaz atomiques avant. Cependant, la nouvelle recherche a utilisé un nouveau mécanisme qui repose sur les propriétés des systèmes « polariton ».
Les polaritons sont formés par le couplage des photons (lumière) et des quasiparticules comme les excitons à travers de fortes interactions électromagnétiques. Leurs propriétés leur permettent de se condenser à l’état énergétique le plus bas possible de la même manière que certains gaz atomiques. En d’autres termes, la lumière est associée à la matière, et ensemble, ils peuvent être condensés en supersolide.
Pourquoi les supersolides sont-ils utiles?
Les supersolides sont importants à étudier car ils montrent les effets de minuscules interactions quantiques entre les particules sans que la température ne se gêne. Lorsque nous cartographier le comportement et les caractéristiques des supersolides, nous examinons vraiment comment les atomes et les particules sont assemblés. Cela nous apprend sur le monde dans lequel nous vivons à un niveau fondamental.
Avec plus de recherche et de développement, les supersolides pourraient être utilisés pour calcul quantique, supraconducteurslubrifiants sans friction et applications auxquelles nous n’avons même pas encore commencé à penser. Il y a tellement de possibilités que nous n’avons pas encore découvertes – et faire un supersolide à la lumière est un grand pas en avant.
