Une vue d'artiste d'un laser. © Fotolia, psdesign1
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Surprise ! Il suffit de 6 atomes pour obtenir un superfluide quantique

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La superfluidité et la supraconductivité sont des états quantiques que la matière peut adopter en effectuant des transitions de phases analogues à celles menant d'un gaz à un liquide. On pensait que ces états quantiques n'apparaissaient collectivement que dans une population contenant un assez grand nombre de particules. Une expérience dans le domaine des gaz de Fermi ultrafroids semble prouver le contraire.

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Homo sapiens est familier des transitions de phase depuis son arrivée dans la biosphère terrestre et l'on sait bien qu'Empédocle, le philosophe, poète, ingénieur et médecin grec du Ve siècle av. J.-C. -- qui vivait en  Sicile et qui fut célébré par Hölderlin -- faisait des quatre éléments (le Feu, l'Air, la Terre, l'Eau) les constituants de toutes choses.

Il a toutefois fallu attendre la fin du XIXe siècle et le début du XXe pour que l'on commence à comprendre vraiment et à modéliser mathématiquement ces états de la matière ainsi que le passage de l'un à l'autre. Il aura fallu pour cela dans un premier temps que Boltzmann et Gibbs développent la théorie cinétique des gaz et la thermodynamique statistique. D'autres transitions de phase sont aussi étudiées à ce moment-là par les physiciens, celle concernant l'aimantation d'un corps ferromagnétique avec la température et, tout particulièrement, celles concernant la supraconductivité et la superfluidité qui ne pourront pas être comprises sans l'avènement de la mécanique quantique.

Une présentation de la superfluidité. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © BBC

Prenons le cas de la superfluidité. Ce sont les physiciens J.F. Allen et A.D. Meisener à Cambridge et, indépendamment et surtout à Moscou, le physicien Piotr Kapitza, qui font sa découverte en 1937. Elle vaudra à ce dernier le prix Nobel de physique en 1978 ; du temps de Staline, son aura sera suffisante pour faire revenir des camps staliniens le génial Lev Landau et lancer la création du mythique Moscow Institute of Physics and Technology.

Kapitza ne s'y était pas trompé, il faudra la phénoménale maîtrise de la mécanique quantique de Landau pour percer les secrets fondamentaux de la transition de phase permettant à l'hélium, plus précisément un de ses isotopes4He, de devenir un liquide superfluide en dessous de la température de -271 degrés Celsius.

Les superfluides et la condensation de Bose-Einstein

Cette transition avec l'hélium n'est possible que parce que le noyau d'hélium 4 se comporte comme un boson, telles les photons de la lumière, et parce que les particules quantiques de matière ont aussi des aspects ondulatoires (les atomes d'hélium 3 sont des fermions mais, à très basses températures, ils peuvent former des équivalents des paires de Cooper dans les solides supraconducteurs et devenir alors, comme ces paires d'électrons, des bosons formant un fluide s'écoulant sans résistance).

En fait, avant les travaux de Landau, le physicien théoricien d'origine allemande Fritz London avait eu l'idée de faire un rapprochement entre l'apparition de l'état superfluide et un phénomène prédit par Einstein en 1925 ; l'occurrence de ce dernier devait se produire dans un gaz de particules décrit par la fameuse statistique découverte par le physicien indien Satyendranath Bose lors de calculs pour dériver la loi de Planck du rayonnement du corps noir avec la lumière et qu'Einstein avait étendu à la matière.

Une présentation très vulgarisée de la superfluidité. © ENSCI-Les Ateliers, Univ. Paris-Sud, CNRS, ANR Descitech

La condensation de Bose-Einstein  est un phénomène subtil de mécanique quantique qui finit par se produire lorsque les ondes quantiques des particules se fondent en une seule et que ces particules se mettent à avoir un comportement collectif cohérent. Elles forment ensemble une onde de matières qui se déplace sans frottement, donnant un fluide sans viscosité avec des propriétés macroscopiques étonnantes comme le montrent les vidéos dans cet article.

Mais, attention, le rapprochement entre l'apparition d'un état superfluide et l'obtention d'un condensat de Bose-Einstein ne va pas de soi. En effet, le modèle d'Einstein concerne des particules sans interactions, un gaz parfait donc. Or, on sait bien que ce n'est pas le cas et, lorsque la densité augmente, la description d'un gaz cesse d'être parfaite et ce sont ces interactions qui permettent l'apparition d'un état liquide, puis d'un état solide en baissant la température. De facto, l'hélium liquide ne donne qu'un « quasi » condensat de Bose-Einstein car les interactions entre les atomes d'hélium sont loin d'être négligeables. Il va falloir attendre les années 1990 pour que la situation idéale décrite par Albert Einstein soit physiquement observée dans les travaux de Eric Cornell et Carl Wieman, du laboratoire NIST/JILA (Boulder, Colorado, États-Unis), et Wolfgang Ketterle au MIT.

Les trois hommes recevront pour cela le prix Nobel de physique et ce, en utilisant des techniques de refroidissement par laser dans des pièges atomiques. C'est aussi en utilisant une technique de refroidissement par laser qu'une équipe de physiciens de l'Université de Heidelberg vient de faire une intéressante découverte concernant la transition de phase menant à un état superfluide comme le montre un article disponible en accès libre sur arXiv.

Les atomes de lithium 6, des laboratoires pour la superfluidité et la supraconductivité

Même encore aujourd'hui, et après les travaux de pionnier en physique statistique du défunt prix Nobel Kenneth Wilson, nous ne sommes donc pas au bout de nos surprises avec les transitions de phase. En l'occurrence, les chercheurs conduisaient des expériences avec des atomes ultrafroids d'un isotope du lithium, le lithium 6. Il se comporte comme un fermion mais, tout comme dans le cas de l'hélium 3, il peut se retrouver sous forme de paires bosoniques comme des expériences montrant l'occurrence d'un condensat de BE le décrivent depuis un certains temps. Les atomes ultrafroids de lithium 6 sont même des laboratoires pour étudier l'occurrence de la superfluidité, et même de la supraconductivité, à partir d'un gaz fermionique et ce que l'on appelle la résonance de FeshbachVia cette résonance, avec des champs électromagnétiques, on peut contrôler jusqu'à un certain point des interactions entre atomes et molécules, et donc, obtenir un état superfluide en formant des paires de Cooper.

C'est quoi un condensat collectif de Bose-Einstein ? © Vulgarisation

Mais, ce qui a étonné les chercheurs, c'est que l'amorce d'un état collectif quantique menant à un état superfluide peut déjà s'observer avec 6 atomes de lithium-6 refroidis à une fraction de kelvin. On s'attendait à voir se manifester ce phénomène relevant de ce que l'on appelle en physique un problème à N corps avec un nombre d'atomes bien plus important.

Cette découverte devrait ouvrir de nouvelles perspectives sur l'apparition de la supraconductivité via la formation de paires de Cooper dans des systèmes atomiques de bien plus grandes tailles.

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