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Un superfluide fait de lumière !

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Etrange expérience réalisée par une équipe américaine : simuler un état particulier de la matière à l'aide de lasers et étudier ce clone lumineux comme s'il était fait d'atomes.

D'habitude, la simulation d'un phénomène physique consiste à faire tourner un logiciel sur un ordinateur. On aurait pu y penser pour l'étude de l'état superfluide, une forme très particulière d'un liquide dans laquelle tous les atomes bougent de concert, au lieu de l'habituel capharnaüm brownien faisant courir les atomes dans tous les sens.

Aux fluides, ils confèrent des propriétés étonnantes, dont cette superfluidité. Totalement dépourvu de viscosité, il s'écoule sans frottement : emplissez un bol à ras bord, ajoutez la goutte d'eau de trop et vous verrez le liquide s'écouler complètement, remontant à l'intérieur du bol pour passer le rebord et descendre le long de la paroi extérieure. La superfluidité a été observée pour la première fois en laboratoire en 1937 avec l'hélium liquide refroidi au-dessous de 2 kelvins (- 271 °C).

Obtenir au laboratoire un tel état superfluide est extrêmement difficile et les scientifiques se donnent beaucoup de mal pour en réaliser en quantités infimes et certaines expériences que l'on aimerait y conduire sont impossibles. Quant à le simuler par ordinateur, ce n'est guère possible parce qu'il est encore mal compris. C'est d'ailleurs pour cela que tant de gens s'y intéressent...

Photons et matière au diapason

La superfluidité s'explique en partie par un phénomène quantique étonnant, la condensation de Bose-Einstein (appelé ainsi parce que dans le jargon quantique, il s'agit de matière condensée et qu'il a été prédit par Satyendra Nath Bose puis par Albert Einstein). Dans un condensat, tous les atomes ou les particules se comportant comme un seul, ils deviennent indiscernables. On obtient une sorte d'onde de matière cohérente, exactement comme les photons d'une émission laser. Trois scientifiques de l'université de Princeton (New Jersey), Jason Fleischer, Wenjie Wan et Shu Jia, en ont profité pour réaliser un dispositif expérimental dans lequel les photons des lasers se comportent comme un superfluide. Des expériences peuvent alors y être menées.

Vagues causées par deux objets tombés dans un liquide ? Non : interférences entre rayons lasers. Mais les deux phénomènes sont strictement identiques quand le liquide est superfluide et que le dispositif laser est judicieusement conçu. Crédit : Jason Fleischer / Princeton University.

Pour valider leur simulateur, les chercheurs ont étudié la propagation de deux ondes concentriques, que l'on obtiendrait à la surface d'un liquide en faisait tomber deux cailloux. Les effets obtenus sont bien ceux que l'on s'attend à voir dans un superfluide. Leur travail sera publié en janvier dans la revue Nature Physics.

Les chercheurs vont maintenant passer aux choses sérieuses et réaliser une véritable expérience sur les propriétés optiques. « C'est un domaine entier de la physique qui s'intéresse à la dynamique des superfluides, s'enthousiasme Jason Fleischer. Mais les expériences sont difficiles à réaliser. Avec les lasers, c'est beaucoup plus facile ! »

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