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Le robinet quantique amène les chercheurs au seuil de la découverte d’un nouvel état

mai 9 / 15

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Après huit ans de persévérance, les chercheurs se trouvent au seuil de l’observation d’un nouvel état de la matière prédit par la théorie quantique.

Les chercheurs ont réussi à faire s’écouler de l’hélium superfluide dans le plus petit canal jamais construit – seulement quelques dizaines d’atomes de diamètre et foré par un faisceau d’électrons. Guillaume Gervais (Université McGill), Boursier au sein du programme Matériaux quantiques, et des collaborateurs de l’Université McGill, de l’Université de Leipzig et de l’Université du Vermont ont publié récemment les détails de leur expérience dans Science Advances.

À très basses températures, l’hélium est superfluide et constitue l’unique élément qui ne gèle pas près du zéro absolu (-273 °C). Il commence plutôt à s’écouler librement, sans viscosité. Les chercheurs ont confiné l’hélium dans un espace extrêmement étroit pour mettre à l’essai un état théorique de la matière appelé le liquide de Luttinger. Selon la théorie quantique, si l’hélium superfluide est confiné à une dimension, il devrait changer d’état et ralentir. Par opposition, la plupart des liquides s’écoulent plus rapidement quand ils passent par un espace plus étroit.

L’équipe de Gervais a confiné l’hélium à basse température dans des canaux de 45 nanomètres, de 16 nanomètres et puis de 6 nanomètres, et a observé que le superfluide commençait à ralentir. C’était là le signe que les chercheurs s’approchaient finalement de la zone grise près de l’état de liquide de Luttinger que Gervais cherchait depuis des années. Gervais a pris connaissance de la théorie de Luttinger en 2002, alors qu’il traversait un tunnel en voiture avec Horst Störmer, lauréat d’un prix Nobel. Lors d’une discussion sur la conductance quantique, ils ont été retardés par une circulation confinée et discontinue. Gervais se souvient de la scène : « Il s’est tourné vers moi et a dit “Un liquide de Luttinger!” et vous savez quoi, je n’avais aucune idée de ce dont il parlait! »

L’idée a couvé jusqu’à une réunion du programme Nanoélectronique de l’ICRA en 2005 où Gervais a discuté de la question avec Ian Affleck, jadis Boursier associé (maintenant Boursier principal au sein du programme Matériaux quantiques). « Comme personne n’avait envisagé l’expérience dans un vrai liquide », dit Gervais, « s’il ne s’était agi d’Ian Affleck et de sa participation à l’ICRA, je n’aurais pas réalisé cette expérience. Je devais absolument savoir si j’étais fou ou sain d’esprit! »

Forts de cette percée, les chercheurs veulent maintenant confiner l’hélium dans des canaux encore plus petits, moins d’un nanomètre de diamètre, et de plusieurs longueurs différentes. Si la théorie de Tomonaga-Luttinger se tient, l’écoulement du liquide devrait aussi ralentir quand il passe dans les plus longs canaux. Les défis techniques seront probablement plus grands que la première fois, mais Gervais est emballé par ce qu’ils vont apprendre. Une meilleure compréhension de la physique unidimensionnelle pourrait un jour nous permettre d’élaborer des technologies novatrices, comme des détecteurs rotatifs très précis à utiliser dans les systèmes GPS, et d’accroître nos connaissances sur la physique à petite échelle des circuits électroniques.