Des chercheurs ont assisté à un superfluide dans le graphène arrêter son mouvement, transitant vers un supersolide — une phase quantique mêlant ordre solide et écoulement sans friction. Cette avancée, obtenue dans du graphène bilame sous conditions spécifiques, remet en question des hypothèses établies sur la matière quantique. Les résultats, publiés dans Nature, marquent la première observation naturelle d'une telle phase sans contraintes artificielles.
La matière quantique défie souvent les attentes classiques. Il y a plus d'un siècle, les scientifiques ont découvert que l'hélium à des températures ultra-basses devient un superfluide, s'écoulant sans résistance et présentant des traits étranges comme escalader les parois des contenants. Pendant des décennies, les chercheurs se sont demandé ce qui se passe si un tel fluide est refroidi davantage, formant potentiellement un supersolide : un état à structure cristalline mais propriétés liquides. Une équipe dirigée par Cory Dean de l'Université Columbia et Jia Li de l'Université du Texas à Austin a abordé cela dans des expériences avec du graphène bilame. En empilant deux feuilles de carbone d'un atome d'épaisseur et en ajustant l'une avec des électrons supplémentaires et l'autre avec des trous, ils ont créé des excitons — quasiparticules qui, sous champs magnétiques forts, agissent collectivement comme un superfluide. En ajustant la densité d'excitons et la température, un changement inattendu s'est produit. À hautes densités, les excitons s'écoulaient librement. Baisser la densité arrêtait l'écoulement, transformant le système en isolant — un état solide-like. Augmenter la température ravivait alors le comportement superfluide, inversant les transitions de phase typiques. «Pour la première fois, nous avons vu un superfluide subir une transition de phase pour devenir ce qui semble être un supersolide», a déclaré Dean. Li a ajouté : «La superfluidité est généralement considérée comme l'état fondamental à basse température. Observer une phase isolante qui fond en superfluide est sans précédent. Cela suggère fortement que la phase à basse température est un solide d'excitons hautement inhabituel.» L'équipe, incluant Yihang Zeng (maintenant à l'Université Purdue), a utilisé des mesures de transport pour détecter ces changements. Dean a noté des limites : «Nous devons spéculer un peu, car notre capacité à interroger les isolants s'arrête un peu.» Des travaux futurs explorent d'autres matériaux 2D, où des excitons plus légers pourraient permettre des supersolides à températures plus élevées, sans champs magnétiques. Cette découverte met en lumière le rôle du graphène dans l'étude des phases quantiques, potentiellement avançant la compréhension des états de matière exotiques.
