Un gaz superfluide rotatif de fermions percé de tourbillons. Crédit d'image: MIT. Cliquez pour agrandir.
Les scientifiques du MIT ont mis fin à une course passionnée parmi les physiciens: ils sont devenus les premiers à créer un nouveau type de matière, un gaz d'atomes qui montre une superfluidité à haute température.
Leurs travaux, à paraître dans le numéro du 23 juin de Nature, sont étroitement liés à la supraconductivité des électrons dans les métaux. Les observations de superfluides peuvent aider à résoudre les questions persistantes sur la supraconductivité à haute température, qui a des applications répandues pour les aimants, les capteurs et le transport écoénergétique de l'électricité, a déclaré Wolfgang Ketterle, lauréat du prix Nobel qui dirige le groupe MIT et qui est John D. MacArthur Professeur de physique.
Voir si clairement le gaz superflu est une étape si dramatique que Dan Kleppner, directeur du MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, a déclaré: «Ce n'est pas un pistolet fumant pour la superfluidité. Ceci est un canon. "
Depuis plusieurs années, des groupes de recherche du monde entier étudient les gaz froids des soi-disant atomes fermioniques dans le but ultime de trouver de nouvelles formes de superfluidité. Un gaz superfluide peut s'écouler sans résistance. Il peut être clairement distingué d'un gaz normal lorsqu'il est tourné. Un gaz normal tourne comme un objet ordinaire, mais un superfluide ne peut tourner que lorsqu'il forme des tourbillons similaires à des mini-tornades. Cela donne à un superfluide rotatif l'apparence du fromage suisse, où les trous sont les noyaux des mini-tornades. "Lorsque nous avons vu la première photo des tourbillons apparaître sur l'écran de l'ordinateur, c'était tout simplement à couper le souffle", a déclaré Martin Zwierlein, étudiant diplômé, en se remémorant la soirée du 13 avril, lorsque l'équipe avait vu le gaz superflu pour la première fois. Depuis près d'un an, l'équipe travaille à rendre les champs magnétiques et les faisceaux laser très ronds pour que le gaz puisse être mis en rotation. «C'était comme poncer les bosses d'une roue pour la rendre parfaitement ronde», a expliqué Zwierlein.
«Dans les superfluides, ainsi que dans les supraconducteurs, les particules se déplacent au même rythme. Ils forment une grosse onde mécanique quantique », a expliqué Ketterle. Un tel mouvement permet aux supraconducteurs de transporter des courants électriques sans résistance.
L'équipe du MIT a pu observer ces tourbillons superfluides à des températures extrêmement froides, lorsque le gaz fermionique a été refroidi à environ 50 milliardièmes de degré Kelvin, très près du zéro absolu (-273 degrés C ou -459 degrés F). "Cela peut sembler étrange d'appeler superfluidité à 50 nanokelvins superfluidité à haute température, mais ce qui importe, c'est la température normalisée par la densité des particules", a déclaré Ketterle. "Nous avons maintenant atteint de loin la température la plus élevée jamais enregistrée." Échelle jusqu'à la densité d'électrons dans un métal, la température de transition superfluide dans les gaz atomiques serait supérieure à la température ambiante.
Les membres de l'équipe de Ketterle étaient les étudiants diplômés du MIT, Zwierlein, Andre Schirotzek et Christian Schunck, qui sont tous membres du Center for Ultracold Atoms, ainsi que l'ancien étudiant diplômé Jamil Abo-Shaeer.
L'équipe a observé une superfluidité fermionique dans l'isotope lithium-6 comprenant trois protons, trois neutrons et trois électrons. Puisque le nombre total de constituants est impair, le lithium-6 est un fermion. En utilisant des techniques de refroidissement par laser et par évaporation, ils ont refroidi le gaz près du zéro absolu. Ils ont ensuite piégé le gaz au foyer d'un faisceau laser infrarouge; les champs électriques et magnétiques de la lumière infrarouge maintenaient les atomes en place. La dernière étape consistait à faire tourner un faisceau laser vert autour du gaz pour le mettre en rotation. Une image d'ombre du nuage a montré son comportement superflu: le nuage était percé d'un réseau régulier de tourbillons, chacun à peu près de la même taille.
Le travail est basé sur la création antérieure du groupe MIT de condensats de Bose-Einstein, une forme de matière dans laquelle les particules se condensent et agissent comme une seule grande vague. Albert Einstein a prédit ce phénomène en 1925. Les scientifiques ont réalisé plus tard que la condensation de Bose-Einstein et la superfluidité sont intimement liées.
Une condensation de Bose-Einstein de paires de fermions qui étaient liés de manière lâche sous forme de molécules a été observée en novembre 2003 par des équipes indépendantes de l'Université du Colorado à Boulder, de l'Université d'Innsbruck en Autriche et du MIT. Cependant, l'observation de la condensation de Bose-Einstein n'est pas la même chose que l'observation de la superfluidité. D'autres études ont été effectuées par ces groupes et à l'Ecole Normale Supérieure de Paris, à l'Université Duke et à l'Université Rice, mais les preuves de superfluidité étaient ambiguës ou indirectes.
Le gaz superfluide de Fermi créé au MIT peut également servir de système modèle facilement contrôlable pour étudier les propriétés de formes beaucoup plus denses de matière fermionique telles que les supraconducteurs solides, les étoiles à neutrons ou le plasma quark-gluon qui existait dans le premier univers.
La recherche du MIT a été soutenue par la National Science Foundation, l'Office of Naval Research, la NASA et le Army Research Office.
Source d'origine: communiqué de presse du MIT
