Un liquide quantique devient un solide lorsqu’il est chauffé

Le mouvement thermique des particules augmente à mesure que la température du matériau augmente. Cette augmentation de l’énergie thermique fait souvent fondre le solide dans un liquide, ce qui provoque finalement l’évaporation du liquide dans la phase gazeuse de la substance.

Cependant, le contraire se produit dans le domaine quantique. Dans un effort conjoint, une équipe expérimentale dirigée par Francesca Ferlaino à Innsbruck, en Autriche, et une équipe théorique dirigée par Thomas Boll à Aarhus, au Danemark, ont montré comment un liquide quantique forme des supersolides par chauffage.

Un supersolide est une phase exotique de la matière dans laquelle les particules développent une disposition spatiale régulière et supportent simultanément l’écoulement sans frottement d’un superfluide. Après avoir échappé à la vérification expérimentale pendant plusieurs décennies, des supersolides peuvent maintenant être observés dans les condensats de Bose-Einstein d’atomes très froids avec des interactions à portée finie.

Trois équipes de recherche, dont une dirigée par Francesca Ferellano du Département de physique expérimentale de l’Université d’Innsbruck et l’AW Institute for Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) à Innsbruck, ont pu démontrer définitivement cet état pour la première fois en super froid. Gaz quantiques en 2019.

En 2021, l’équipe de Francesca Ferlaino a étudié le cycle de vie des états supersolides dans un gaz dipolaire d’atomes de dysprosium. Ils ont remarqué quelque chose d’inattendu : les données indiquent que l’augmentation de la température favorise la formation de structures superrigides.

Claudia Poletti de l’équipe de Francesca Ferlaino a déclaré : « Ce comportement surprenant a été un coup de pouce important pour la théorie, qui ne s’était pas préoccupée auparavant des fluctuations de température dans ce contexte. »

Les scientifiques d’Innsbruck, en collaboration avec le groupe théorique danois dirigé par Thomas Boll, ont découvert l’effet de la fonction thermique. Ils ont développé un modèle théorique qui pourrait expliquer les résultats expérimentaux et ont confirmé la thèse selon laquelle le chauffage d’un liquide quantique peut conduire à la formation d’un cristal quantique. Le modèle théorique montre que lorsque la température augmente, ces structures peuvent se former plus facilement.

Francesca Verlaino Il a ditEt « Avec le nouveau modèle, nous avons maintenant pour la première fois un diagramme de phase montrant la formation d’un état supersolide en fonction de la température. Le comportement surprenant, qui contraste avec nos observations quotidiennes, découle de la nature anisotrope du dipôle-dipôle interaction des atomes magnétiques puissants du dysprosium.

L’étude pourrait aider à mieux comprendre les états de la matière supersolide.

Référence de la revue :

1. Chauffer un liquide quantique bipolaire en un solide. J. Sanchez Baena, Claudia Poletti, F. Mosher, Francesca Ferlino et T. Buhl. Nature Communications 14, 1868 (2023) (Accès libre) DOI : 10.1038 / s41467-023-37207-3