Les superfluides sont censés s’écouler indéfiniment. Des physiciens viennent pourtant d’en observer un s’arrêter

Quand la matière refuse de choisir son état

Reprenons les bases, comme si on était en cuisine. Vous prenez de la matière ordinaire, vous la refroidissez : le gaz devient liquide. Refroidissez encore : le liquide gèle et devient solide. Jusque-là, tout va bien. Mais dans le monde étrange de la physique quantique, les règles changent. Au début du XXe siècle, des chercheurs ont découvert qu’en refroidissant de l’hélium à l’extrême, il ne gelait pas bêtement. Il se transformait en « superfluide ». C’est quoi ? C’est un liquide capable de couler sans jamais perdre d’énergie, sans le moindre frottement, et même de grimper aux parois de son récipient pour s’en échapper.

Mais une question taraude les physiciens depuis cinquante ans : que se passe-t-il si on refroidit encore davantage ce superfluide ? Est-ce qu’il finit par s’arrêter ? La réponse nous a échappé pendant un demi-siècle, jusqu’à aujourd’hui.

L’apparition du « supersolide » : le paradoxe ultime

C’est une première historique. Dans une étude publiée aujourd’hui dans la revue Nature, une équipe menée par les physiciens Cory Dean (Université de Columbia) et Jia Li (Université du Texas à Austin) a observé l’impossible. Ils ont vu un superfluide, censé rester en mouvement perpétuel, s’immobiliser net. Cory Dean résume la situation : « Pour la première fois, nous avons vu un superfluide subir une transition de phase pour devenir ce qui semble être un supersolide. »

Imaginez de l’eau qui gèle en glace, mais version quantique. Le concept de « supersolide » est un véritable casse-tête pour l’esprit. Un solide classique, c’est un arrangement fixe d’atomes, comme une grille de cristal. Un supersolide, lui, réussit l’exploit d’être à la fois cristallin (comme un solide) et de couler sans frottement (comme un superfluide). C’est totalement contre-intuitif.

Jusqu’ici, personne n’avait vu cette transition dans la matière naturelle. Des chercheurs avaient bien réussi à simuler des versions artificielles avec des lasers et des pièges optiques — un peu comme si on forçait de la gelée à prendre la forme d’un bac à glaçons — mais jamais cela ne s’était produit spontanément.

Le graphène à la rescousse

Pour résoudre cette vieille controverse de la physique de la matière condensée, l’équipe — qui incluait aussi Yihang Zeng, ancien doctorant aujourd’hui professeur assistant à l’Université Purdue — a délaissé l’hélium. Ils se sont tournés vers une star des matériaux : le graphène, cette feuille de carbone épaisse d’un seul atome.

Comment ont-ils fait ? Ils ont empilé deux couches de graphène. L’une avec un surplus d’électrons (charge négative), l’autre avec des « trous » (charge positive laissée par le départ d’électrons). Ces charges opposées s’attirent et forment des couples qu’on appelle des « excitons ». Ajoutez un puissant champ magnétique, et ces excitons forment un superfluide.

L’avantage des matériaux 2D comme le graphène, c’est qu’ils offrent aux chercheurs plein de « boutons de réglage ». On peut ajuster la température, les champs électromagnétiques, et même la distance entre les couches pour affiner les propriétés. C’est du pilotage de précision.

Un arrêt brutal et inattendu

C’est en tournant ces fameux boutons que l’équipe a eu une surprise de taille. Ils ont remarqué une relation étrange entre la densité de ces quasi-particules (les excitons) et la température. Quand la densité était élevée, tout coulait comme un superfluide. Mais en diminuant la densité ? Tout s’est figé. Les excitons sont devenus isolants.

Le plus fou ? Quand ils ont remonté la température, la superfluidité est revenue. Jia Li explique pourquoi c’est incroyable : « La superfluidité est généralement considérée comme l’état fondamental à basse température. Observer une phase isolante qui ‘fond’ pour devenir un superfluide est sans précédent. » En gros, cela suggère fortement que cet état figé à basse température est un « solide d’excitons » très inhabituel.

Est-ce officiellement un supersolide ? « Nous en sommes réduits à spéculer un peu », admet honnêtement Cory Dean. Leur expertise réside dans la mesure du transport (le courant), or un isolant, par définition, ne transporte rien. L’équipe explore maintenant les frontières de cet état tout en construisant de nouveaux outils pour le mesurer directement.

L’avenir s’annonce passionnant. Ces excitons sont des milliers de fois plus légers que les atomes d’hélium, ce qui laisse espérer la création de ces états quantiques à des températures bien plus élevées, peut-être même sans avoir besoin d’aimants géants. Le mystère n’est pas entièrement levé, mais nous avons désormais la preuve solide que les matériaux 2D sont la clé pour comprendre cette phase quantique énigmatique. (DOI: 10.1038/s41586-025-09986-w).

Selon la source : phys.org

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