Quand l’instabilité crée l’ordre

La nature nous offre souvent le spectacle de structures qui apparaissent spontanément, depuis la vapeur d’eau qui s’assemble en nuages, jusqu’à l’organisation délicate des plantes qui émergent de leur graine. Ces phénomènes de structuration spontanée sont présents dans tous les domaines de la physique, et même quand ils n’ont pas à ce jour d’application pratique, suscitent l’intérêt des physiciens, pour les comprendre et les contrôler.

Une équipe du Laboratoire collisions agrégats réactivité, avec son collaborateur de l’Université de Liège, s’est intéressée à une telle apparition spontanée d’ordre dans un gaz quantique. Ils ont pour cela manipulé des atomes formant un condensat de Bose-Einstein, une onde de matière géante, placée dans une structure périodique de lumière, appelée réseau optique. Lorsque les particules sont placées dans cette structure, de petits nuages d’atomes de même taille sont piégés régulièrement dans l’espace. Si l’on fait vibrer le réseau, en faisant osciller la profondeur des pièges, les interactions entre atomes conduisent à un phénomène nouveau : les nuages atomiques se réorganisent, faisant apparaître une « ondulation » de la densité atomique, c’est-à-dire une succession périodique de positions plus ou moins peuplées dans l’espace.
 
Dans leur travail publié dans Proceedings of the national academy of sciences, les scientifiques montrent que l’on peut non seulement créer cette ondulation de la densité, mais aussi la contrôler : selon la façon dont le réseau vibre, on peut ajuster la distance entre les sommets de cette ondulation, soit la périodicité spatiale. Les physiciens et physiciennes ont également étudié sur ce même système comment l’ordre cristallin se répand progressivement sur tout le gaz. Cet état de la matière est singulier dans la mesure où la nature ondulatoire du gaz persiste mais un ordre cristallin émerge. Il partage ces deux propriétés avec ce qu’on appelle les supersolides, mais n’est pas, à la différence de ces derniers, l’état fondamental, stable, du système. Cette structuration cohérente du gaz persiste toutefois suffisamment longtemps pour permettre d’observer son extension à tout le gaz et pour la caractériser.

Cette étude identifie les ingrédients essentiels nécessaires à l’apparition d’un ordre à partir d’une instabilité dans un gaz quantique dûment contrôlé, un résultat qui peut aussi se transposer à d’autres plateformes expérimentales cherchant à maîtriser la matière quantique pour dépasser les technologies classiques.