Superfluids are supposed to flow indefinitely. Physicists just watched one stop moving
Les superfluides sont censés s'écouler indéfiniment. Des physiciens viennent d'observer l'un d'eux s'immobiliser.
Par Ellen Neff, Université Columbia
Édité par Gaby Clark, relu par Robert Egan
Notes de la rédaction
The GIST
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Illustration d'excitons s'organisant en une structure solide dans du graphène bicouche. Crédit : Cory Dean, Université Columbia
La matière ordinaire, lorsqu'elle est refroidie, passe de l'état gazeux à l'état liquide. Refroidie davantage, elle se solidifie. La matière quantique, en revanche, peut se comporter très différemment. Au début du XXe siècle, des chercheurs ont découvert que l'hélium, refroidi, passe d'un gaz apparemment ordinaire à un superfluide. Les superfluides s'écoulent sans perdre d'énergie, et présentent d'autres propriétés quantiques particulières, comme la capacité de s'échapper de leur contenant.
Que se passe-t-il lorsqu'on refroidit encore davantage un superfluide ? La réponse à cette question échappe aux physiciens depuis qu'ils ont commencé à se la poser, il y a un demi-siècle.
Premiers indices concrets d'un supersolide
Dans un article publié aujourd'hui dans la revue Nature, une équipe dirigée par les physiciens Cory Dean (Université Columbia) et Jia Li (Université du Texas à Austin) décrit l'observation d'un superfluide, normalement en mouvement constant, s'immobiliser. « Pour la première fois, nous avons observé un superfluide subir une transition de phase pour devenir ce qui semble être un supersolide », explique Dean. C'est un peu comme si l'eau gelait, mais à l'échelle quantique.
Les supersolides sont la version quantique prédite des solides classiques, définis comme un agencement fixe d'atomes dans un réseau cristallin répétitif. Paradoxalement, les supersolides peuvent présenter simultanément des propriétés liquides et solides : cristallins, comme les solides classiques, mais avec la même fluidité sans frottement qu'un superfluide.
Malgré ces prédictions, personne n'a encore observé avec certitude la transition de l'état superfluide à l'état supersolide dans l'hélium, ni dans aucune autre matière naturelle. Ces dernières années, des chercheurs du sous-domaine de la physique atomique, moléculaire et optique (AMO) ont simulé des versions de supersolides. Pour ce faire, ils ont utilisé des lasers et des éléments optiques afin de créer ce que l'on appelle un piège périodique, qui permet d'amener le fluide à adopter une structure cristalline – un peu comme de la gélatine confinée dans un bac à glaçons.
Ajustement de l'espacement inter-excitonique ℓe par déséquilibre des couches. Crédit : Nature (2026). DOI : 10.1038/s41586-025-09986-w
Le graphène comme plateforme
La formation spontanée d'un supersolide restait une énigme, laissant irrésolue l'une des plus grandes controverses de la physique de la matière condensée. Du moins, jusqu'à ce que l'équipe de Dean, qui comprenait Li (alors postdoctorant à Columbia) et un ancien doctorant, Yihang Zeng (aujourd'hui maître de conférences à l'Université Purdue), se tourne vers un cristal naturel : le graphène, une feuille d'atomes de carbone d'une épaisseur d'un seul atome.
Le graphène peut héberger des excitons. Ces quasi-particules se forment lorsque des feuilles de graphène d'une épaisseur de deux atomes sont superposées et manipulées de telle sorte qu'une couche possède un excès d'électrons et l'autre, un excès de trous (résidus lorsque des électrons quittent la couche sous l'effet de la lumière). Les électrons chargés négativement et les trous chargés positivement peuvent se combiner pour former des excitons. Sous l'effet d'un champ magnétique intense, les excitons peuvent former un superfluide.
Les matériaux 2D comme le graphène se sont révélés être des plateformes prometteuses pour explorer et manipuler des phénomènes tels que la superfluidité et la supraconductivité. En effet, les chercheurs disposent de nombreux paramètres ajustables, comme la température, les champs électromagnétiques et même la distance entre les couches, afin d'optimiser leurs propriétés.
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Une phase quantique isolante inattendue
Lorsque l'équipe de Dean a commencé à manipuler les excitons dans leurs échantillons, elle a observé une relation inattendue entre la densité des quasi-particules et la température. À haute densité, les excitons se comportaient comme un superfluide, mais à mesure que leur densité diminuait, ils s'immobilisaient et devenaient isolants. Lorsque l'équipe a augmenté la température, la superfluidité est réapparue.
« La superfluidité est généralement considérée comme l'état fondamental à basse température », a déclaré Li. « Observer une phase isolante qui se transforme en superfluide est sans précédent. Cela suggère fortement que la phase à basse température est un solide excitonique très inhabituel. »
Alors, s'agit-il d'un supersolide ? « Nous ne pouvons que spéculer, car notre capacité à interroger les isolants est limitée », a expliqué Dean – leur expertise réside dans les mesures de transport, et les isolants ne conduisent pas le courant. « Pour l'instant, nous explorons les limites de cet état isolant, tout en développant de nouveaux outils pour le mesurer directement. »
À la recherche d'états quantiques à plus haute température
Les chercheurs étudient également d'autres matériaux stratifiés. Le superfluide excitonique, et probablement le supersolide, qui se forme dans le graphène bicouche, ne peut exister qu'en présence d'un champ magnétique intense. Bien que plus complexes à fabriquer selon les configurations requises, les matériaux alternatifs pourraient stabiliser les quasiparticules à des températures encore plus élevées et sans aimant.
Contrôler un superfluide dans un matériau 2D est une perspective passionnante : comparés à l'hélium, par exemple, les excitons sont des milliers de fois plus légers et pourraient donc potentiellement former des états quantiques tels que des superfluides et des supersolides à des températures bien plus élevées. L'avenir des supersolides reste à définir, mais il existe désormais des preuves solides que les matériaux 2D aideront les chercheurs à comprendre cet énigmatique phénomène quantique.
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RESUME
Les superfluides sont censés s'écouler indéfiniment. Des physiciens viennent d'observer l'un d'eux s'immobiliser.
Un superfluide dans du graphène bicouche a été observé passer à un état isolant à basses températures et densités, suggérant l'émergence d'une phase supersolide – un état quantique insaisissable combinant ordre cristallin et écoulement sans friction. Cette découverte démontre que les matériaux 2D comme le graphène ouvrent de nouvelles perspectives pour explorer et contrôler les phases quantiques telles que la superfluidité et la supersolidité.
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COMMENTAIRES
Je connaiossais le graphene mais pas en tant que substances superfluides et je trouve ce res résultats interessants
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Publication details
Jia Li, Observation of a superfluid-to-insulator transition of bilayer excitons, Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-025-09986-w. www.nature.com/articles/s41586-025-09986-w
Journal information: Nature
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