L’état de la matière formé de polarons de Rydberg et observé par des chercheurs autrichiens et américains est vu comme autant d’impuretés, de bulles, qui naissent au cœur d’un condensat de Bose-Einstein. © Sharon McCutcheon, Unsplash

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Un nouvel état exotique de la matière ?

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Solide, liquide et gazeux. Ce sont les trois états classiques de la matière. On savait déjà qu'il fallait leur ajouter quelques états plus exotiques, comme le plasma ou l'état superfluide. Des chercheurs nous racontent aujourd'hui avoir observé un état de la matière encore plus étrange formé de polarons de Rydberg.

En général, entre le noyau d'un atome et les électrons qui l'entourent, on ne trouve rien d'autre que du vide. Parfois beaucoup de vide, si les électrons en question sont particulièrement éloignés du noyau, ce qui est le cas pour les atomes dits de Rydberg, dont le dernier électron célibataire, excité, a été éloigné du noyau. Alors, pourquoi ne pas remplir ce vide avec... d'autres atomes ? Et former ainsi un nouvel état de la matière pour le moins exotique. Un état qui n'existerait qu'à basse température.

L'idée peut sembler farfelue. C'est pourtant celle qu'ont théorisée des chercheurs de l'université de Vienne (Autriche) et de l'université de Harvard (États-Unis) avant d'en confier la partie expérimentale à des physiciens de l'université de Rice (États-Unis). En réunissant leurs compétences, ils sont parvenus à observer un mystérieux état de la matière formé de polarons de Rydberg.

Pour parvenir à leurs fins, les chercheurs ont d'abord créé un condensat de Bose-Einstein à partir d'atomes de strontium. Cet état particulier de la matière ne peut être obtenu qu'à de très basses températures, proches du zéro absolu. Puis, à l'aide d'un laser, ils ont transformé un atome du condensat en atome de Rydberg.

L’électron de l'atome Rydberg, en bleu (son orbite, du moins), et le noyau de l’atome, en rouge. Cette orbite englobe de nombreux autres atomes, en vert, du condensat de Bose-Einstein. © TU Wien

Un atome de Rydberg dans un condensat de Bose-Einstein

« La distance moyenne entre l'électron et le noyau d'un atome de Rydberg peut aller jusqu'à plusieurs centaines de nanomètres, soit plus de mille fois le rayon d'un atome d'hydrogène », explique Joachim Burgdörfer, physicien à l'université de Vienne. Or, le rayon de « l'orbite » de cet électron se trouve alors être beaucoup plus grand que la distance moyenne entre deux atomes du condensat.

Jusqu’à 170 atomes dans un atome de Rydberg

Les chercheurs avancent que jusqu'à 170 atomes de strontium ont ainsi pu littéralement se glisser dans l'atome de Rydberg. Quasiment sans perturber le parcours de l'électron de Rydberg. Car les atomes sont des entités électriquement neutres et « quasiment » parce que, comme le prévoit la mécanique quantique, l'électron ressent tout de même la présence troublante de ces atomes.

Les faibles interactions entre cet électron et ces atomes ont pour effet de diminuer l'énergie totale du système. C'est ainsi que se crée une nouvelle forme de liaison entre l'atome de Rydberg et les atomes installés en lui. Des liaisons faibles qui, comme ce nouvel état exotique de la matière, ne peuvent perdurer qu'à des températures extrêmement faibles elles aussi.

  • Des chercheurs ont observé un état exotique de la matière formé à partir de polarons de Rydberg.
  • Les polarons de Rydberg sont constitués d’atomes de Rydberg, remplis d’autres atomes formant un condensat de Bose-Einstein.
  • Cet état de la matière ne peut être obtenu que dans des conditions de températures proches du zéro absolu.
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