À l’école, on nous apprend que la matière existe sous trois formes simples : solide, liquide et gazeux. C’est rassurant, c’est carré, mais c’est incomplet. Dans les recoins les plus froids de l’univers quantique, la matière se comporte comme une rebelle, brisant toutes les règles de la logique. Une équipe de chercheurs américains vient de réaliser l’impensable : observer en temps réel la naissance d’un « supersolide ». Un état de la matière totalement paradoxal, qui possède la structure rigide d’un cristal tout en étant capable de couler sans aucune friction, comme un fluide parfait.

Le paradoxe du « Supersolide »

Pour comprendre l’ampleur de cette découverte publiée fin janvier dans la revue Nature, il faut visualiser l’impossible. Imaginez un glaçon. Il est solide, ses atomes sont figés dans une grille cristalline rigide. Maintenant, imaginez que ce même glaçon puisse traverser un tuyau en s’écoulant comme de l’eau, sans jamais frotter contre les parois, sans jamais perdre d’énergie. Cela semble relever de la magie, mais c’est de la physique quantique.

Jusqu’à présent, les physiciens connaissaient les superfluides (des liquides sans viscosité qui tourbillonnent à l’infini). Ils théorisaient l’existence des supersolides. Mais ils n’avaient jamais vu l’un se transformer naturellement en l’autre, prouvant que ces deux états sont les deux faces d’une même pièce.

Une recette à base de « trous » et de graphène

Pour réussir cet exploit, les chercheurs de l’Université de Columbia et de l’Université du Texas n’ont pas utilisé de l’eau, mais des particules exotiques appelées excitons. Un exciton n’est pas une particule « classique ». C’est un couple formé par un électron et un « trou » (l’absence d’un électron). C’est une quasi-particule. L’équipe a piégé ces excitons dans un sandwich de graphène (ce matériau miracle composé d’une seule couche d’atomes de carbone) et les a soumis à un champ magnétique intense. Ensuite, ils ont baissé la température. Radicalement.

  • À -269°C (environ 4 degrés au-dessus du zéro absolu) : Les excitons se sont comportés comme un superfluide. Ils coulaient librement.

  • En refroidissant encore plus : Le miracle s’est produit. Le superfluide s’est « gelé » pour devenir un supersolide.

superfluideCrédit : Cory Dean, Université ColumbiaIllustration de l’organisation d’excitons en une structure solide dans du graphène bicouche. Pour la première fois, des physiciens ont observé la transformation d’un superfluide en supersolide, puis son retour à l’état solide.
Pourquoi c’est une première mondiale ?

Vous allez me dire : « On a déjà entendu parler de supersolides en 2021 ou 2024 ». C’est vrai. Mais il y a une différence majeure. Les précédentes expériences avaient « forcé » la matière à devenir supersolide en utilisant des lasers et des pièges optiques complexes pour contraindre les atomes. C’était artificiel. Ici, la transition s’est faite naturellement. C’est une véritable « transition de phase », exactement comme l’eau liquide qui devient glace quand on la met au congélateur. Les chercheurs ont même pu inverser le processus : réchauffer pour revenir au superfluide, puis refroidir pour retourner au supersolide.

C’est la preuve définitive que cet état n’est pas une curiosité de laboratoire forcée, mais un état fondamental de la matière accessible par la thermodynamique.

« Une phase isolante qui fond »

Cette observation bouscule les certitudes. « La superfluidité est généralement considérée comme l’état fondamental à basse température », explique Jia Li, co-auteur de l’étude. En voyant ce liquide parfait se transformer en solide isolant, les physiciens ouvrent une nouvelle porte. Cory Dean, de l’Université de Columbia, ne cache pas son enthousiasme : « Pour la première fois, nous avons une fenêtre directe sur une transition de phase que nous pensions impossible ».

À quoi ça sert ?

Au-delà de la beauté théorique, maîtriser les supersolides pourrait révolutionner l’avenir de la technologie. Un matériau capable de transporter de la matière ou de l’information sans aucune perte d’énergie (viscosité nulle) tout en conservant une structure solide et stable est le Saint Graal pour les composants électroniques du futur.

On parle ici de potentiels supraconducteurs de nouvelle génération ou de mémoires pour les ordinateurs quantiques. Bien sûr, nous sommes encore loin de l’application industrielle (le zéro absolu n’est pas très pratique dans un smartphone), mais nous venons de cartographier un nouveau territoire de la réalité. La matière a encore beaucoup de secrets à nous révéler.