Supersolid (1): the pledge

Pendant que j'étais à Denver, j'ai profité de l'occasion pour aller assister à une session sur les supersolides. Je n'ai jamais travaillé dessus et peut être que je ne travaillerais jamais dessus mais c'est un sujet que je trouve fascinant. Ma curiosité pour ce machin doit beaucoup à Bernard Castaing qui est professeur à l'ENS de Lyon et travaille dans le même labo que moi. Il faut dire que Bernard a un talent certain pour exciter la curiosité des gens. Et ce sujet là est vraiment excitant. Le supersolide, c'est un état de la matière qui n'a pour le moment jamais été observé mais qui se caractérise par une propriété remarquable: c'est un solide à travers lequel le liquide correspondant peut s'écouler sans frottement. Imaginez que vous preniez un tuyau plein d'eau et que vous en geliez une partie. Vous n'arriverez jamais à faire passer de l'eau à traver le bouchon de glace ainsi formé. Et bien dans un supersolide, c'est possible. Ahhhh.... comment se fait-ce ? Intuitivement, un solide c'est un arrangement bien rigides d'atomes régulièrement disposés dans l'espace. On voit mal comment passer à travers facilement... Prenez une salle où les gens sont assis sur des chaises bien sérrés genre au ciné, et essayez de sortir de votre rangée: c'est le bordel. A priori, à l'échelle atomique c'est pareil: vous allez bousculer vos voisins, ceux d'a coté etc. Cependant, au début des années 70 des russes et des anglais ont proposé un scénario pour un éventuel supersolide. Dans un solide constitué d'atomes assez légers et chimiquement inertes (pour ne pas se lier en modécules), les atomes ne sont pas fixes même au zéro obsolu. Ils bougent du fait des fluctuations quantiques. C'est ce qui fait qu'il n'existe pas de glacons d'Hélium à l'air libre: l'Hélium solide n'existe qu'à basse température et haute pression: plus de 25 fois la pression atmosphérique! Mais bon, ca existe et on peut en voir de jolies photos... Dans le scénario proposé, il faut que les fluctuations quantiques au sein du solide créent à température nulle des lacunes dans le cristal, c'est à dire des places vides. Ces places peuvent "bouger" lorsque le cristal se réarrange. Elles se comportent comme un gaz des particules quantiques qui peut exister même à très basse température. De plus, pour obtenir un supersolide, il faut que ce gaz subisse ce qu'on appelle une condensation de Bose-Einstein. Cela se produit lorsque les excitations ont les bonnes propriétés quantiques (ce qui est le cas dans l'Hélium 4 solide) et qu'elles soient suffisamment nombreuses. Dans cet état, elles peuvent s'écouler sans frottement. Or un flot de "trous" dans une direction correspond à un flot de matière dans la direction opposée. C'est comme cela que l'on peut faire passer des atomes de même nature (pas des atomes diférents!) sans friction à travers le solide. Ouahh magique non ? Vous remarquerez au passage toute l'astuce marketing: on appelle ca un supersolide. C'est quand même plus sexy qu'un "superfluide de trous"... Vous l'aurez compris: comme on ne peut pas faire défiler de jolies jeunes femmes pendant les séminaires on essaye de trouver des noms qui frappent l'imagination! En pratique, observer un supersolide n'est pas chose aisée. Un candidat naturel c'est l'Hélium solide car il est léger et inerte chimiquement. En plus on sait qu'il a une phase superfluide. Par contre, il faut des basses températures et de la haute pressions. Ca ne s'improvise pas sur un coin de table mais deux expériences ont été tentées. L'une consiste à mettre le candidat supersolide dans une boite de camembert, à la suspendre par son milieu et à étudier les oscillations de torsion de ce pendule (voir image ci contre). Si en faisant varier la température ou un autre paramètre, on passe d'un solide normal à un super-solide, une partie de ce dernier va se découpler du pendule. Du coup les oscillations vont être altéréees. Une autre expérience est celle de la cloche renversée. On se débrouille pour faire pousser un solide dans une éprouvette renversée comme sur le dessin ci contre. Lorsque le solide devient supersolide, le liquide va pouvoir passer à travers le supersolde de sorte que le niveau de celui ci s'égalise entre l'intérieur et l'extérieur de l'éprouvette renversée. En clair on teste la possibilité pour le liquide de traverser le supersolide. Ca c'est plus zarbi mais aussi plus fun. La première expérience a été réalisée il y a deux/trois ans environ par Kim et Chan qui ont effectivement observé une modification de la rotation du pendule en baissant la température et qui ont interprété cette modification comme une conséquence de l'état supersolide. L'effet est petit: environ 1 % du solide se "découplerait". Vous pouvez aller voir ce qu'en racontait la National Science Foundation à l'époque (en plus ils ont une vidéo pour expliquer le principe de la manip). En plus l'effet n'a pas été observé pour l'autre isotope de l'Hélium pour lequel on sait qu'il ne peut pas y avoir de supersolide: les atomes n'ont pas les bonnes propriétés quantiques. Ahhh, Prix Nobel en vue ?