Dans les laboratoires du Conseil National de la Recherche (CNR) en Italie, l’impossible est devenu réalité. Pour la première fois, des chercheurs ont transformé la lumière en un « supersolide », un état quantique de la matière très particulier.
Contrairement aux états habituels de la matière que nous connaissons – solide, liquide, gaz et plasma – le supersolide présente simultanément des caractéristiques contradictoires : il possède à la fois la structure ordonnée d’un cristal, comme le sel de table, et la capacité à s’écouler sans aucune résistance. L’équipe, composée de plusieurs physiciens de renom comme Dimitrios Trypogeorgos et Daniele Sanvitto, a publié les résultats de ses expérimentations dans la revue Nature le 5 mars.
L’expérience qui défie les lois de la physique
Alors que les supersolides étaient jusqu’à présent uniquement créés à partir d’atomes refroidis à des températures extrêmement basses – proches du zéro absolu, soit -273,15° C – où les effets quantiques deviennent prépondérants, les physiciens italiens ont emprunté une voie radicalement différente. Ils ont projeté un faisceau laser sur un fragment d’arséniure de gallium-aluminium (AlxGa1–xAs), un semi-conducteur spécialement modelé avec un motif régulier de crêtes étroites.
L’interaction entre la lumière et ce matériau a engendré des particules hybrides appelées « polaritons », des quasi-particules mi-lumière, mi-matière. Ces polaritons sont un état d’hybridation où photons (particules de lumière) et excitons (paires électron-trou dans le semi-conducteur) fusionnent entre eux. Le motif gravé sur le semi-conducteur a imposé des contraintes sur le mouvement et l’énergie de ces quasi-particules, les conduisant à former spontanément une structure de supersolide.
Par rapport aux anciens travaux de Sanvitto, cette expérience représente un fossé. Il y a plus d’une décennie, celui-ci avait déjà démontré que la lumière comment la lumière pouvait adopter un comportement fluide, un phénomène appelé superfluidité. Cette fois, un état cristallin a été ajouté à cette supefluidité ; on passe d’une lumière qui s’écoule sans frottement à une lumière qui, en plus, s’organise en un réseau régulier.
Mesurer l’insaisissable : prouver la double nature fluide et solide de la lumière
La démonstration expérimentale de cet état quantique a nécessité des mesures extrêmement précises. L’équipe de recherche a caractérisé avec exactitude la modulation de densité de l’état polaritonique, détectant des variations infimes de l’ordre de quelques millièmes. Cette précision leur a permis d’observer la « rupture de symétrie translationnelle », un phénomène physique qui marque la transition d’un état uniforme vers un état ordonné, signature d’un solide cristallin.
« Nous avons dû mesurer avec une extrême précision suffisamment de propriétés de cette lumière piégée et transformée pour prouver qu’elle était à la fois un solide et un fluide sans viscosité », explique Sanvitto. Ce défi considérable l’était d’autant plus que jamais auparavant un supersolide composé de lumière n’avait été créé et évalué expérimentalement.
Comment ont-ils procédé ? Grâce à un dispositif agissant comme un piège à lumière presque parfait. Ils ont utilisé ce que les physiciens appellent un « Bound state in the Continuum ou BiC » ; imaginez une sorte d’île quantique où la lumière reste confinée alors qu’elle devrait normalement s’échapper.
Cette configuration repose sur un guide d’onde à cristal photonique, une structure microscopique finement gravée qui canalise et emprisonne la lumière comme le ferait un labyrinthe. L’avantage de ce système est qu’il retient la lumière avec très peu de pertes, préservant ainsi les propriétés quantiques fragiles nécessaires à la formation du supersolide.
Pour Alberto Bramati, physicien à l’Université de la Sorbonne, cette expérience représente une avancée spectaculaire en physique, et notamment sur la compréhension des changements d’état de la matière quantique. Il reconnaît néanmoins que la marge de progression reste encore très large pour appréhender pleinement les propriétés de ce nouveau matériau.
La quête des supersolides nous ramène aux années 1960, époque où quelques physiciens théoriciens avaient osé imaginer l’existence d’une telle matière. Pendant près d’un demi-siècle, ces objets quantiques sont restés prisonniers des équations mathématiques et des débats théoriques. Ce n’est qu’au tournant du XXIᵉ siècle que les premières preuves tangibles ont commencé à émerger, d’abord timidement, puis avec plus d’assurance. L’exploit de l’équipe italienne prend ici toute sa dimension : transformer la lumière elle-même, cette entité insaisissable, en un état de matière aussi exotique nous aidera certainement un jour à explorer les territoires les plus impénétrables de la physique contemporaine.
- Des physiciens italiens ont réussi pour la première fois à créer un état particulier de la matière à partir de lumière, combinant à la fois rigidité cristalline et fluidité parfaite.
- En utilisant un laser et un matériau semi-conducteur spécialement conçu, ils ont formé des particules hybrides capables de structurer spontanément un état quantique inédit.
- Cette découverte pourrait permettre de mieux explorer des formes inédites de la matière et de percer certains mystères profonds de la physique quantique.
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