Une expérience physique vient de produire un état de la matière encore jamais vu

Une équipe de dix-sept scientifiques, du MIT et d’autres universités telles que Harvard et Stanford, se sont associés pour créer une expérience physique hors du commun. À l’aide d’un laser à impulsions, ils ont généré un état de la matière totalement improbable et qui n’avait jamais été observé jusqu’à maintenant. Ils ont publié leurs résultats le 11 novembre 2019 dans le journal Nature Physics, et ils relatent les conclusions dans un article du MIT.

Pour comprendre la portée de cette recherche, il faut commencer par préciser que les changements dans la matière sont notamment définis par un passage de l’ordre au désordre. Ainsi, comme illustrent les scientifiques, lorsque vous faites fondre de la glace, nous passons d’un état ordonné à un état désordonné. Cet exemple permet de relever une loi fondamentale en physique : tout matériau auquel on ajoute de l’énergie (comme de la chaleur), passe de l’ordre au désordre. L’expérience présentée par cette équipe de scientifiques a pourtant produit exactement l’inverse : la matière est restée ordonnée après l’ajout d’énergie, mais dans une structure différente. Ce résultat, qui n’était pas prévu, a surpris les chercheurs. Les conclusions possibles sont fascinantes.

Représentation géométrique de l'onde soumise à l'impulsion laser par les scientifiques.

Source : Alfred Zong

Un nouvel état ordonné se substitue à un état ordonné

Cette expérience s’appuie sur un matériau : le tritelluride de lanthane, dont la structure est naturellement ordonnée, de manière aussi stratifiée que pour du cristal. En son sein, on trouve un fluide quantique qui forme une onde chargée d’électrons se dirigeant dans une seule et même direction. Les scientifiques ont frappé le matériau avec des impulsions laser ultra-rapides. Et « ultra rapides », cela signifie ici moins d’une picoseconde, ce qui représente un millième de milliardième de seconde pour chaque impulsion.

Lorsque le matériau est soumis à ces impulsions, alors l’onde chargée unidirectionnelle disparaît. Elle est remplacée par une autre onde… tout aussi unidirectionnelle, sauf qu’elle apparaît de manière perpendiculaire — en angle droit parfait — à l’onde qui l’a précédée. Ensuite, cette deuxième onde s’évapore à son tour et la première onde revient en une picoseconde. Il y a donc bien eu une transition structurelle. Le moins qu’on puisse dire, c’est que l’apparition d’une onde perpendiculaire est un état parfaitement ordonné de la matière. Pourtant, les scientifiques lui ont bel et bien ajouté de l’énergie avec les impulsions laser.

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Des états ordonnés de la matière en compétition

Cette découverte surprenante pourrait, selon les chercheurs, aider à révéler des propriétés invisibles dans toutes sortes de matériaux. « C’est comme si ces deux types d’ondes étaient en compétition — quand l’une se montre, l’autre s’en va », explique le postdoctorant Anshul Kogar dans le communiqué du MIT. L’idée des chercheurs, c’est qu’il y aurait plusieurs états ordonnés de la matière en compétition constante. Plus encore, chaque matériau aurait des « états latents », qui sont présents, mais invisibles : pour les apercevoir, il faut « supprimer l’état dominant ».

Cela signifie que la matière pourrait adopter différentes configurations selon l’énergie qu’elle reçoit. Comme l’expliquent les chercheurs, dans leur état stable les matériaux sont à leur besoin minimal en énergie. Ils adoptent la structure adaptée à ce besoin le plus minime, pour s’y installer de manière pérenne. L’ajout d’énergie pourrait, dans certains cas, révéler de toutes nouvelles structures. Et grâce à l’usage de la lumière, comme c’est le cas avec les impulsions laser dans cette expérience, il serait possible de transiter vers ces états de la matière invisibles comme si l’on utilisait un bouton on / off.

Ces découvertes s’inscrivent dans le champ de recherche de la physique expérimentale. Elles pourraient permettre de mieux comprendre le champ des possibles concernant la matière qui nous entoure : par exemple, approfondir cette piste pourrait éclairer la présence d’une « supraconductivité » (résistance électrique nulle, pouvant donc soutenir un courant électrique sans aucune perte) au sein de matériaux soumis à de fortes températures… et on pourrait même découvrir de nouveaux matériaux supraconducteurs.