Après solide, liquide et gaz, voici le « supersolide » : l’état de la matière qui défie tout ce qu’on croyait savoir

Des chercheurs ont observé pour la première fois un état quantique capable d’être à la fois cristal rigide et fluide sans friction, lors d’une transition naturelle. En travaillant à des températures proches du zéro absolu, ils confirment l’existence du supersolide et repoussent les frontières de la physique moderne.

Le paradoxe du supersolide : un cristal parfaitement ordonné capable de s’écouler sans aucune friction

Pour comprendre le choc scientifique, imaginons d’abord un bloc de glace. Sa structure interne est ordonnée, figée dans une grille cristalline. Rien ne bouge. Ensuite, ajoutons un ingrédient impossible : la capacité de s’écouler sans aucune viscosité, sans frottement, comme un superfluide. Voilà le paradoxe. Ainsi, un supersolide combine ces deux propriétés contradictoires. Il conserve une organisation spatiale régulière, typique d’un solide.

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En parallèle, certaines particules circulent librement, sans dissipation d’énergie. Jusqu’ici, physiciens et physiciennes avaient observé des superfluides, ces liquides quantiques capables de tourner indéfiniment sans ralentir. Le supersolide, lui, restait une curiosité expérimentale difficile à cerner. En réalité, la grande avancée récente tient dans l’observation d’une véritable transition de phase entre ces deux états. Comme l’eau qui gèle, mais dans un univers gouverné par la mécanique quantique.

Une expérience extrême pour observer la transition du superfluide vers le supersolide

Pour provoquer ce phénomène, les chercheurs ont d’abord travaillé avec des excitons, des quasi-particules formées d’un électron et d’un « trou » électronique. Ces entités fragiles n’existent que dans des environnements soigneusement contrôlés. Ensuite, les chercheurs ont confiné les excitons dans une structure de graphène bicouche. Dans ce matériau, les atomes de carbone s’organisent en réseau hexagonal.

Un champ magnétique intense agit sur l’échantillon. Les chercheurs le refroidissent jusqu’à environ 4 kelvins, soit quelques degrés au-dessus du zéro absolu. Le système adopte alors un comportement de superfluide. Puis, l’équipe abaisse encore la température. Un changement spectaculaire survient. Le fluide parfait s’organise en structure périodique.

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Il conserve pourtant une composante fluide interne. Autrement dit, le système est devenu supersolide. À l’inverse, en réchauffant l’échantillon, les chercheurs inversent le processus. Ils démontrent ainsi qu’il s’agit d’un état thermodynamique stable, et non d’un artefact expérimental.

Une transition de phase naturelle qui confirme l’existence d’un nouvel état fondamental de la matière

Jusqu’à présent, des équipes de recherche ont produit des supersolides grâce à des dispositifs optiques complexes. Ces systèmes forçaient les atomes à adopter un comportement hybride. Ici, la matière change d’état de manière spontanée, simplement parce que la température chute et que le champ magnétique agit sur le système. Par conséquent, cela signifie que le supersolide n’est pas une construction artificielle, mais une phase fondamentale de la matière.

Cette découverte apporte une confirmation expérimentale majeure à des décennies de travaux théoriques. De plus, plus surprenant encore, cet état supersolide présente des propriétés isolantes. Pourtant, il conserve une dynamique interne fluide. Cette coexistence défie l’intuition classique. On pensait que la superfluidité représentait toujours l’état d’énergie le plus bas. Ainsi, la physique quantique révèle une nouvelle facette de son inventivité.

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Des applications potentielles majeures, de l’énergie sans perte aux technologies du calcul quantique

Au-delà de la performance scientifique, les implications potentielles sont donc considérables. Un matériau qui combine stabilité structurale et transport sans dissipation ouvre de nouvelles pistes. Il pourrait permettre de concevoir des composants à efficacité énergétique inédite.

Dès lors, on peut imaginer, à long terme, des architectures inspirées du supersolide pour des systèmes de calcul quantique, des mémoires avancées ou des dispositifs proches de la supraconductivité parfaite. Certes, aujourd’hui, ces phénomènes n’existent qu’à des températures extrêmes, incompatibles avec nos appareils du quotidien. Cependant, chaque avancée fondamentale trace une route.

L’histoire des semi-conducteurs l’a montré. Ce qui naît dans le froid des laboratoires peut, quelques décennies plus tard, transformer le monde. En définitive, le supersolide n’est donc pas seulement une curiosité exotique. Il représente une nouvelle frontière. Et lorsque la matière révèle qu’elle peut être à la fois solide et fluide, notre compréhension du réel doit évoluer.

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