Phase « supersolide » insaisissable observée dans les expériences
En 1970, Anthony Leggett, lauréat du prix Nobel, a suggéré, en apparence absurde, que les propriétés de l’hélium superfluide « pourraient être partagées par certains solides ». Même si cela semble contradictoire, l’idée selon laquelle un solide cristallin pourrait s’écouler comme un superfluide – c’est-à-dire avoir une viscosité nulle – sans aucun compromis sur la rigidité, est restée, et la chasse à de tels « supersolides » est depuis ouverte. Aujourd’hui, Junsen Xiang, de l’Académie chinoise des sciences de Pékin, et des chercheurs de Chine, de France et d’Australie fournissent des preuves de cette phase insaisissable de la matière. Ces supersolides pourraient bien être plus qu’une simple curiosité scientifique et pourraient être utilisés pour refroidir des expériences et des appareils jusqu’à un niveau proche du zéro absolu.
Les règles de la statistique quantique interdisent l’utilisation de plus d’une particule d’un matériau par état quantique – c’est-à-dire qu’un seul atome peut occuper chaque point du réseau cristallin et partager d’autres caractéristiques quantiques telles que le spin et l’énergie. Cependant, à très basse température, une grande partie des particules quantiques d’un matériau, appelées « bosons », peuvent occuper collectivement l’état quantique le plus bas possible. Il s’agit d’un condensat de Bose-Einstein qui donne naissance aux propriétés superfluides d’un supersolide. Les propriétés solides observées dans cette curieuse phase proviennent de la disposition standard des atomes sur le réseau cristallin, qui jouent le rôle des bosons dans le modèle. Dans ces derniers travaux, les chercheurs démontrent spécifiquement un supersolide de spin, qui est théoriquement équivalent à un supersolide sans spin, mais les spins électroniques jouent un rôle essentiel dans l’obtention de la phase supersolide.
Né de la frustration
Xiang et ses collaborateurs ont étudié Na2BaCo(PO4)2 (NBCP), qui a été synthétisé pour la première fois en 2019. Ses atomes sont disposés dans un réseau triangulaire. En présence d’un champ magnétique appliqué, les spins visent tous à s’aligner dans la même direction que le champ magnétique. Lorsque le champ magnétique est supprimé, chaque spin vise à s’orienter dans la direction opposée à celle de ses voisins. Cependant, ces efforts sont vains car il y a trois atomes dans chaque cellule du réseau triangulaire et seulement deux orientations de spin possibles. Le réseau triangulaire très frustré a conduit Wei Li de l’Institut de physique théorique de l’Académie chinoise des sciences et ses collègues à calculer que le NBCP pourrait exister sous forme de supersolide, ce qui a incité des expériences à le confirmer.
« Sans frustration, le système peut simplement établir un certain ordre, un ordre solide », explique Li. Monde de la chimie. « Vous devez introduire cette frustration et faire en sorte que le système découvre (que) l’état solide n’est pas l’état énergétiquement le plus bas mais (qu’il existe) des états concurrents. » Le supersolide est donc une superposition quantique d’états solides superfluide et cristallin.
Même si les particules elles-mêmes restent fixes, ce qui peut ne pas paraître très fluide, les propriétés superfluides se manifestent dans la rotation du système. «À ma connaissance, un tel concept de superfluidité de spin (est) largement accepté par la communauté scientifique (depuis) de nombreuses années», déclare Giovanni Modugno, expert en supersolides et phases quantiques ultrafroides à l’Université de Florence, en Italie, qui a été pas impliqué dans ce travail.
Des effets sympas
Le matériau pourrait également être utilisé pour refroidir les dispositifs quantiques et la technologie spatiale. Lorsque le champ magnétique appliqué est supprimé et que les spins tentent de s’orienter de manière antiparallèle les uns par rapport aux autres, de l’énergie est consommée pour refroidir le matériau, phénomène connu sous le nom d’effet magnétocalorique. Grâce au fort effet de frustration, ces températures basses persistent. C’est en sondant cet effet magnétocalorique pour détecter les états de spin quantique parallèlement à des expériences de diffusion de neutrons que les chercheurs ont pu fournir la preuve de la phase supersolide de spin qu’ils avaient créée.
L’effet de refroidissement a en fait aidé les chercheurs à atteindre les températures ultra-basses nécessaires – 1K pour la transition de phase supersolide de spin et 100 mK pour les expériences sur les neutrons. L’équipement qu’ils ont utilisé n’a en fait amené le matériau qu’à 2K, mais les températures plus basses requises pour la transition de phase ont été fournies par l’effet magnétocalorique de refroidissement de la transition de phase elle-même – « un bootstrap », explique Li.
Modugno est enthousiasmé par « les applications pratiques telles que les capacités de refroidissement améliorées ». « Il est passionnant de constater que le supersolide autrefois hypothétique devient une véritable phase fondamentale de la matière apparaissant dans de plus en plus de systèmes physiques. »