La synchronisation des spins supersolides
Les supersolides, un état de la matière qui combine la rigidité d'un solide et l'écoulement sans frottement d'un superfluide, présentent une synchronisation surprenante lorsqu'ils sont mis en rotation. Les chercheurs d'Innsbruck ont découvert que les vortex quantiques - de minuscules tourbillons dans le fluide quantique - provoquent la synchronisation de la précession et de la révolution de la structure cristalline superfluide. Cette découverte fournit un nouvel outil pour étudier les propriétés fondamentales des systèmes quantiques.
Un supersolide est un état paradoxal de la matière : il est rigide comme un cristal mais s'écoule sans friction comme un superfluide. Cette forme exotique de matière quantique n'a été réalisée que récemment dans les gaz quantiques dipolaires. Les chercheurs dirigés par Francesca Ferlaino ont entrepris d'étudier l'interaction entre les propriétés solides et superfluides d'un supersolide, en particulier sous l'effet de la rotation. Dans leurs expériences, ils ont fait tourner un gaz quantique supersolide à l'aide d'un champ magnétique soigneusement contrôlé et ont observé un phénomène frappant : "Les gouttelettes quantiques du supersolide sont dans un ordre périodique de type cristallin, toutes habillées par un superfluide entre elles", explique Francesca Ferlaino "Chaque gouttelette précesse en suivant la rotation du champ magnétique externe ; elles tournent toutes collectivement. Lorsqu'un tourbillon entre dans le système, la précession et la révolution commencent à tourner de manière synchrone".
"Ce qui nous a surpris, c'est que le cristal supersolide ne tournait pas simplement de manière chaotique", explique Elena Poli, qui a dirigé la modélisation théorique. "Une fois que les tourbillons quantiques se sont formés, l'ensemble de la structure s'est mise à suivre le rythme du champ magnétique externe, comme si la nature avait trouvé son propre rythme.
Andrea Litvinov, qui a mené les expériences, ajoute : "Il était passionnant de voir les données s'aligner soudainement sur la théorie. Il y a eu un moment où le système s'est mis en rythme".
Une nouvelle sonde pour la matière quantique
On parle de synchronisation lorsque deux ou plusieurs systèmes sont en rythme l'un avec l'autre. Elle est fréquente dans la nature, comme les horloges à balancier qui tournent à l'unisson, les lucioles qui clignotent ensemble ou les cellules cardiaques qui battent en synchronisation. L'équipe d'Innsbruck a montré que même la matière quantique exotique peut se synchroniser.
Cette découverte permet non seulement d'approfondir la compréhension de cet état inhabituel de la matière, mais elle offre également un nouveau moyen puissant d'étudier les systèmes quantiques. En suivant la synchronisation, l'équipe a pu déterminer la fréquence critique à laquelle les tourbillons apparaissent, une propriété fondamentale des fluides quantiques en rotation qu'il était difficile de mesurer directement.
L'équipe a combiné des simulations avancées avec des expériences délicates sur des atomes de dysprosium ultrafroids, refroidis à quelques milliardièmes de degrés au-dessus du zéro absolu. En utilisant une technique appelée magnétostirring, ils ont pu faire tourner le supersolide et capturer son évolution avec une grande précision.
Du laboratoire au cosmos
Ces résultats pourraient avoir des implications au-delà du laboratoire. On pense que des dynamiques tourbillonnaires similaires jouent un rôle dans les "pépins" soudains observés dans les étoiles à neutrons, qui comptent parmi les objets les plus denses de l'univers. "Les supersolides constituent un terrain de jeu idéal pour explorer des questions autrement inaccessibles", explique M. Poli. "Bien que ces systèmes soient créés dans des pièges de laboratoire de taille micrométrique, leur comportement peut faire écho à des phénomènes à l'échelle cosmique."
"Ce travail a été rendu possible par l'étroite collaboration entre la théorie et l'expérience, ainsi que par la créativité des jeunes chercheurs de notre équipe", déclare Francesca Ferlaino, chef de groupe au département de physique expérimentale de l'université d'Innsbruck et à l'Institut d'optique et d'information quantiques (IQOQI) de l'Académie autrichienne des sciences (ÖAW). Les recherches ont été menées en partenariat avec le Pitaevskii BEC Center de l'université de Trente.
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