Les liquides et les gaz sont 2 phases différentes de la matière qui font partie de notre vie quotidienne. Alors que les gaz sont dilués, compressibles et prennent la taille de leur contenant, les liquides sont denses, ont un volume fixe et ils se forment avec des gouttelettes. Ce sont des ensembles de particules qui restent liés par elles-mêmes et qui ont une surface libre qui les sépare de l’environnement. En augmentant la température, on peut induire une transition de phase entre liquide et gaz. C’est exactement ce qui arrive quand on fait bouillir de l’eau dans une casserole.
Mais les gaz sont-ils toujours dilués et les liquides toujours denses ? Même si dans des conditions normales, la réponse est un oui retentissant, les choses peuvent devenir très différentes à des températures ultra-basses. Dans une étude récente publiée dans Science, les chercheurs de l’ICFO ont créé un liquide qui est 100 millions de fois plus diluées que l’eau et 1 million de fois plus diluées que l’air.1
Une illustration d’artiste d’une gouttelette de liquide quantique composée d’un mélange de 2 gaz d’atomes de potassium ultra-froids – Crédit : ICFO/ Povarchik Studios Barcelona
Pour ce faire, l’équipe a refroidi un gaz d’atomes de potassium à -273,15 degrés Celsius qui est très proche du zéro absolu. À ces températures, les atomes se comportent comme des ondes et ils suivent les règles de la mécanique quantique, mais ils conservent encore une propriété intrinsèque d’un gaz en se dilatant en l’absence de récipient. En revanche, quand 2 de ces gaz sont mélangés et s’attirent l’un l’autre, alors les atomes forment des gouttelettes liquides. Comme l’explique Cesar Cabrera, premier auteur de l’étude, nos gouttelettes de potassium sont très similaires à celles de l’eau. Elles ont leur propres taille et forme indépendamment de leur endroit, mais elles sont beaucoup plus froides et leurs propriétés sont quantiques.
Un mélange de 2 gaz ultra-froids qui s’attirent l’un vers l’autre pour former un liquide ultra-dilué qui reste connecté de manière autonome dans la gouttelette même en l’absence d’un confinement – Crédit : ICFO
En effet, l’existence de ces gouttelettes liquides est entièrement due à des fluctuations quantiques qui sont un effet quantique intrinsèque fascinant. Et en raison de la mécanique quantique, les atomes formant une gouttelette ne peuvent pas rester complètement en repos à l’intérieur, car c’est interdit par le principe d’indétermination d’Heisenberg. Ces atomes, formant la gouttelette, restent ainsi en mouvement perpétuel en conduisant à une pression quantique qui provoque une instabilité des minuscules gouttelettes en les faisant évaporer en un gaz en expansion. La professeure Leticia Tarruell commente : Ces gouttelettes sont des objets macroscopiques fascinants, car même si elles sont constituées de milliers de particules, leur comportement est encore entièrement déterminé par les fluctuations et les corrélations quantiques. En observant la transition de phase entre le liquide et le gaz, nous mesurons précisément ces effets quantiques surprenants.
La combinaison unique de dilutivité et de l’aspect quantique permet à ces gouttelettes de liquide quantique d’être un banc d’essai idéal pour mieux comprendre les systèmes quantiques constitués de nombreuses particules en interaction et comprendre les caractéristiques qu’elles partagent avec l’hélium liquide, les étoiles à neutrons ou d’autres matériaux complexes.
