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Un supersolide créé pour la première fois en laboratoire
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Un supersolide créé pour la première fois en laboratoire

Nombre de phénomènes de la physique quantique semblent paradoxaux. Les supersolides en sont un exemple. Il s'agit d'un cristal solide qui présente dans certaines conditions les propriétés d’un superfluide, de sorte qu’une impureté qui le traverserait ne subirait aucune force de friction malgré la structure « rigide » du solide. Imaginés dans les années 1960, de tels supersolides peuvent-ils réellement exister ? Deux équipes, du MIT (l’institut de technologie du Massachusetts) et de l’école polytechnique fédérale de Zurich, ont réussi à en créer une forme à partir de condensats de Bose-Einstein.

Les condensats de Bose-Einstein sont des états de la matière dans lesquels les atomes se retrouvent tous dans le même état quantique et présentent alors des propriétés collectives particulières. Le phénomène a été prédit en 1925 par Albert Einstein à partir des travaux de Satyendranath Bose. Un des condensats de Bose-Einstein les plus connus est l’hélium-4, qui devient superfluide à une température inférieure à 2 kelvins : les frictions disparaissent et la viscosité du fluide devient nulle. D’autres types de condensats de Bose-Einstein sont obtenus à partir de gaz dilués d'atomes refroidis par des lasers. Wolfgang Ketterle a obtenu le prix Nobel de physique en 2001 pour ses travaux sur de tels systèmes. Il dirige l’équipe du MIT qui vient de réaliser un supersolide.

L’idée de supersolide a été proposée dès 1969 par les théoriciens russes Alexander Andreev et Ilya Liftshitz, David Thouless (prix Nobel de physique en 2016) et d’autres. Pour les réaliser expérimentalement, la première piste fut de partir de l’hélium-4. À basse température, son état quantique l’empêche de geler à moins d’appliquer une pression d’au moins 25 atmosphères. Les atomes s’ordonnent régulièrement et forment un réseau cristallin. Le solide est cependant très souple car le réseau contient de nombreux trous, ou lacunes. Or d’après les théoriciens, ces lacunes se déplacent de façon cohérente dans l’hélium-4 solide et sans frottement, comme dans un superfluide. On aurait ainsi un comportement de supersolide. Cependant, l’hélium-4 supersolide n’a jamais pu être mis en évidence en laboratoire malgré plusieurs annonces, qui n’ont pas résisté à des analyses méticuleuses.

Les condensats de Bose-Einstein de gaz d'atomes froids sont plus facilement contrôlables que l’hélium-4 superfluide, en particulier en utilisant des lasers. Un autre avantage est qu’ils se prêtent très bien aux observations. Wolfgang Ketterle et son équipe, ainsi que Tilman Esslinger et son groupe à Zurich, ont donc utilisé des gaz d’atomes refroidis pour produire des supersolides. La première équipe a utilisé des lasers pour créer des ondes dans un gaz d’atomes de sodium. Les atomes se répartissent alors en régions de surdensité et en régions de sous densité formant des stries régulièrement espacées.

L’équipe de Tilman Esslinger a utilisé une autre technique. Un gaz d’atomes de rubidium est placé entre deux cavités optiques encadrées par des miroirs formant un angle de 60°. À cela s’ajoute un faisceau de lumière unidirectionnel qui interagit avec les atomes. Ceux-ci s’organisent alors, mais la symétrie est perturbée par les cavités suivant des critères bien précis. C'est exactement ce que cherchaient à produire les physiciens car, d’un point de vue théorique, l’obtention d’un supersolide n’est possible qu’en brisant deux types de symétries du condensat de Bose-Einstein. L’expérience de Wolfgang Ketterle conduit également à des brisures de symétrie.

Ces deux expériences ont-elles vraiment obtenu des supersolides ? Toutes les caractéristiques théoriques sont réunies pour qualifier ces phases de supersolides. Mais pour certains chercheurs, le vrai défi serait de créer un supersolide avec de l’hélium-4, où les interactions interatomiques sont plus fortes et la structure cristalline régulière (l’espacement entre les atomes) n’est pas imposée par un élément externe (la longueur d’onde du laser). Dans l’hélium-4, les choses seraient plus « directes » tout en restant fondamentalement équivalentes. Mais comme le souligne Anatoly Kuklov, de l'université de Staten Island, ces deux résultats expérimentaux sont fantastiques et donnent déjà à voir un état de la matière étonnant où cohabitent des propriétés de superfluidité et de solide. Un monde bien étrange que celui de la physique quantique !

Source : Pour la science
Crédit : T-L. Ho et al/Physical Review Letters 2011

Cette simulation numérique met en évidence des régions de surdensité et de sous-densité dans un condensat de Bose-Einstein. Le motif régulier indique que le condensat a une structure cristalline solide. En reproduisant ce système, il est possible de créer alors un supersolide présentant aussi des propriétés de superfluidité.

Un supersolide créé pour la première fois en laboratoire Actualités

Un supersolide créé pour la première fois en laboratoire

Nombre de phénomènes de la physique quantique semblent paradoxaux. Les supersolides en sont un exemple. Il s'agit d'un cristal solide qui présente dans certaines conditions les propriétés d’un superfluide, de sorte qu’une impureté qui le traverserait ne subirait aucune force de friction malgré la structure « rigide » du solide. Imaginés dans les années 1960, de tels supersolides peuvent-ils réellement exister ? Deux équipes, du MIT (l’institut de technologie du Massachusetts) et de l’école polytechnique fédérale de Zurich, ont réussi à en créer une forme à partir de condensats de Bose-Einstein.

Les condensats de Bose-Einstein sont des états de la matière dans lesquels les atomes se retrouvent tous dans le même état quantique et présentent alors des propriétés collectives particulières. Le phénomène a été prédit en 1925 par Albert Einstein à partir des travaux de Satyendranath Bose. Un des condensats de Bose-Einstein les plus connus est l’hélium-4, qui devient superfluide à une température inférieure à 2 kelvins : les frictions disparaissent et la viscosité du fluide devient nulle. D’autres types de condensats de Bose-Einstein sont obtenus à partir de gaz dilués d'atomes refroidis par des lasers. Wolfgang Ketterle a obtenu le prix Nobel de physique en 2001 pour ses travaux sur de tels systèmes. Il dirige l’équipe du MIT qui vient de réaliser un supersolide.

L’idée de supersolide a été proposée dès 1969 par les théoriciens russes Alexander Andreev et Ilya Liftshitz, David Thouless (prix Nobel de physique en 2016) et d’autres. Pour les réaliser expérimentalement, la première piste fut de partir de l’hélium-4. À basse température, son état quantique l’empêche de geler à moins d’appliquer une pression d’au moins 25 atmosphères. Les atomes s’ordonnent régulièrement et forment un réseau cristallin. Le solide est cependant très souple car le réseau contient de nombreux trous, ou lacunes. Or d’après les théoriciens, ces lacunes se déplacent de façon cohérente dans l’hélium-4 solide et sans frottement, comme dans un superfluide. On aurait ainsi un comportement de supersolide. Cependant, l’hélium-4 supersolide n’a jamais pu être mis en évidence en laboratoire malgré plusieurs annonces, qui n’ont pas résisté à des analyses méticuleuses.

Les condensats de Bose-Einstein de gaz d'atomes froids sont plus facilement contrôlables que l’hélium-4 superfluide, en particulier en utilisant des lasers. Un autre avantage est qu’ils se prêtent très bien aux observations. Wolfgang Ketterle et son équipe, ainsi que Tilman Esslinger et son groupe à Zurich, ont donc utilisé des gaz d’atomes refroidis pour produire des supersolides. La première équipe a utilisé des lasers pour créer des ondes dans un gaz d’atomes de sodium. Les atomes se répartissent alors en régions de surdensité et en régions de sous densité formant des stries régulièrement espacées.

L’équipe de Tilman Esslinger a utilisé une autre technique. Un gaz d’atomes de rubidium est placé entre deux cavités optiques encadrées par des miroirs formant un angle de 60°. À cela s’ajoute un faisceau de lumière unidirectionnel qui interagit avec les atomes. Ceux-ci s’organisent alors, mais la symétrie est perturbée par les cavités suivant des critères bien précis. C'est exactement ce que cherchaient à produire les physiciens car, d’un point de vue théorique, l’obtention d’un supersolide n’est possible qu’en brisant deux types de symétries du condensat de Bose-Einstein. L’expérience de Wolfgang Ketterle conduit également à des brisures de symétrie.

Ces deux expériences ont-elles vraiment obtenu des supersolides ? Toutes les caractéristiques théoriques sont réunies pour qualifier ces phases de supersolides. Mais pour certains chercheurs, le vrai défi serait de créer un supersolide avec de l’hélium-4, où les interactions interatomiques sont plus fortes et la structure cristalline régulière (l’espacement entre les atomes) n’est pas imposée par un élément externe (la longueur d’onde du laser). Dans l’hélium-4, les choses seraient plus « directes » tout en restant fondamentalement équivalentes. Mais comme le souligne Anatoly Kuklov, de l'université de Staten Island, ces deux résultats expérimentaux sont fantastiques et donnent déjà à voir un état de la matière étonnant où cohabitent des propriétés de superfluidité et de solide. Un monde bien étrange que celui de la physique quantique !

Source : Pour la science
Crédit : T-L. Ho et al/Physical Review Letters 2011

Cette simulation numérique met en évidence des régions de surdensité et de sous-densité dans un condensat de Bose-Einstein. Le motif régulier indique que le condensat a une structure cristalline solide. En reproduisant ce système, il est possible de créer alors un supersolide présentant aussi des propriétés de superfluidité.

LE GUIDE Naturellement

Agenda . . .

13 - Bouches du Rhône

Du 7 au 15 janvier 2021

BALADES EN MER
CONGRÈS MONDIAL DE LA NATURE DE L’UICN

Lors de ce rendez vous, des balades en mer à bord de l'Hélios, la seule vedette à passagers hybride de la compagnie Marseillaise ICARD MARITME, seront organisées par : Le parc National de la Côte Bleue : 10 juin - Le conservatoire du littoral : 11 & 16 juin - Le parc National des Calanques : 15 & 20 juin.

1 quai Marcel Pagnol
13007 Marseille
04 91 330 329
www.iucncongress2020


21 - Côte d'Or

Du 3 juillet au 2 janvier 2022

EXPOSITION
"AU COEUR DES SAISONS"

Et si on prenait le temps de regarder passer les saisons, de vivre à leur rythme, de redécouvrir le plaisir d'observer la Nature et ses changements.
Cette nouvelle exposition, conçue et réalisée par le Jardin des sciences et Biodiversité, vous plonge « Au coeur des saisons », de façon ludique et accessible à tous les publics, en famille comme entre amis…

Jardin des sciences & biodiversité
Jardin de l’Arquebuse
14 rue Jehan de Marville & 1 avenue Albert 1er
21000 DIJON
03 80 48 82 00
www.dijon.fr


34 - Hérault

Du 26 septembre au 28 février 2021

EXPOSITION
"DERNIERS IMPRESSIONNISTES"

Des paysages maritimes de la Bretagne aux plaisirs des plages de la Belle Époque, des paysages urbains ou champêtres aux portraits virtuoses, partez sur les pas des peintres intimistes ayant tous respiré le parfum de l’impressionnisme.
Riche de 70 peintures et d’une trentaine de dessins ou lithographies, l’exposition qui fait étape à Lodève est la première en France à rendre à ce courant l’importance qui lui revient.

Musée de Lodève
Square George Auric
34700 Lodève
04 67 88 86 10
www.museedelodeve.fr


45 - Loiret

Les 4 juillet et 22 août

VISITES
"ART DES JARDINS"

Art de vivre et Nouvelles Renaissances en Val-de-Loire.
L’Arboretum des Grandes Bruyères, « Jardin Remarquable » vous présentant pas moins de 5 types de jardins, vous invite à découvrir leur histoire et leurs spécificités.
Visite guidée à 15h. Inscription obligatoire, nombre de participants limité.

Arboretum des Grandes Bruyères
45450 Ingrannes
02 38 57 28 24
www.arboretumdesgrandesbruyeres.fr


50 - Manche

Du 8 février au 24 mai

EXPOSITION DE PHOTOGRAPHIES
"LA HAGUE : A L’EPREUVE DU TEMPS"

De vallées encaissées en roches mystérieuses, du littoral déchiqueté aux champs quadrillés de murets, le regard d’Antoine Soubigou s’est posé sur une Hague intemporelle et tourmentée.

Manoir du Tourp
Omonville-la-Rogue
50440 La Hague  
02 33 01 85 89
www.letourp.com


Jusqu'au 15 novembre

EXPOSITION PHOTOGRAPHIQUE
"VIE SAUVAGE EN COTENTIN"

Une exposition pour les curieux de nature mais aussi pour les amateurs de belles images... L’association "Regards" basée à Cormelles-le-Royal dans le Calvados rassemble des photographes naturalistes, passionnés d’image et de nature.

Manoir du Tourp
Omonville-la-Rogue
50440 La Hague  
02 33 01 85 89
www.letourp.com


59 - Nord

Jusqu'au 29 août 2021

EXPOSITION
"MON DODO"

A quoi sert de dormir ? Que se passe-t-il quand je dors ? Pourquoi je rêve ? Telles sont les questions que peuvent se poser les enfants lorsqu’ils vont se coucher pour la sieste ou pour la nuit.
Au travers des expériences et des approches diverses, l’exposition invite les 2-7 ans à découvrir leurs besoins en quantité et qualité de sommeil tout en abordant les notions de cycle et le rôle du sommeil dans leur développement.

Forum départemental des Sciences
1 place de l’Hôtel de ville
59650 Villeneuve d’Ascq
03 59 73 96 00
www.forumdepartementaldessciences.fr


67 - Bas-Rhin

A partir du 4 juillet

ESCAPE GAME LIGNE MAGINOT

Participez à une partie d'escape game et découvrez la Ligne Maginot comme si vous y étiez soldat!
Dans l'antre de la forteresse sont cachés les indices qui vous permettront de sauver l'équipage de l’asphyxie... Attention, vous n'avez que 40 minutes !
Equipes de 2 à 6 joueurs. A partir de 10 ans accompagnés de leurs parents.

Forteresse de la Ligne Maginot
Route D65 direction Pfaffenbronn
67510 Lembach
03 88 94 48 62 / 03 88 94 43 16
www.lignemaginot.fr


71 - Saône et Loire

Jusqu'au 1er novembre

EXPOSITION
"BÊTISE ET BALIVERNES, IDÉES REÇUES SUR LA NATURE"

« les chauves-souris s'accrochent dans les cheveux » ; « les grenouilles sont vertes et les crapauds marron » ; « les moustiques préfèrent les peaux sucrées… », autant d’idées reçues et de fausses informations qui ont souvent la vie dure ! Une scénographie originale et les illustrations humoristiques de Roland Garrigue raviront aussi bien les petits que les grands !

Centre EDEN
26 rue de l’Eglise
71290 Cuisery
03 85 27 08 00
www.centre-eden71.fr


88 - Vosges

Du 6 juillet au 30 août

ANIMATIONS SCIENCES
PLANÉTARIUM EPINAL

Qui n'a jamais rêvé de faire décoller une fusée (en papier) ? Ce sera possible cet été ! L'atelier "réveillez vos sens", quant à lui, sera parfait pour les enfants à partir de 3 ans. Nous proposons également des soirées d'observation du ciel du soir, une initiation à la paléontologie, la découverte des petites bêtes qui peuplent la mare du Planétarium et bien d'autre choses encore !

Planétarium Epinal
Rue Dom Pothier
88000 Epinal
03 29 35 08 02
www.planetarium-epinal.com

Lieux:

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