Triangles contre bandes : la compétition des ordres dans un gaz quantique dipolaire ✛

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Deux danseurs sur une même scène : le triangle et la bande. Dans un gaz quantique d'atomes de dysprosium, refroidi à 62 nanokelvins, ces deux structures spatiales se sont affrontées pour la première fois dans une même expérience. Le gaz est confiné dans un piège qui ressemble à une planche de surf, et les atomes qui le composent sont parmi les plus magnétiques du tableau périodique. Leurs moments magnétiques sont dix fois plus forts que ceux des atomes alcalins ordinaires, si bien que les atomes se sentent à distance, comme de minuscules aimants. C'est cette interaction à longue portée qui engendre l'ordre.

Les physiciens ont fait varier deux paramètres : la force de l'interaction de contact, en contrôlant le champ magnétique via une résonance de Feshbach, et l'inclinaison des dipôles, en les faisant pivoter de 0 à 70 degrés. Pour de petits angles d'inclinaison, les atomes se rassemblaient en un réseau triangulaire de gouttelettes — comme des bulles à la surface de l'eau. Lorsque les dipôles étaient inclinés plus fortement, le tableau changeait : les gouttelettes s'étiraient en bandes courant le long de la direction d'inclinaison. La transition entre les deux motifs n'était pas brutale. Dans la région intermédiaire, le paramètre d'ordre R — le rapport des amplitudes des deux principaux pics du spectre de puissance — présentait des fluctuations amplifiées. La statistique de ces fluctuations s'écartait de la loi gaussienne, ce qui indique un comportement critique familier des transitions de phase dans d'autres systèmes.

Les deux structures existaient à la fois en régime supersolide, lorsque les phases des atomes sont cohérentes, et en régime isolant, lorsque la cohérence est perdue. La plage de cohérence de phase en fonction de la longueur de diffusion était d'environ cinq rayons de Bohr — c'est la distance sur laquelle les atomes « ressentent » encore l'onde quantique commune. Les images après expansion libre montraient des franges d'interférence reproductibles d'une expérience à l'autre — c'est ainsi que l'on vérifiait que la superfluidité n'avait pas disparu lors du changement de motif. Auparavant, la théorie prédisait un diagramme de phase riche avec des structures en nid d'abeille et d'autres, mais l'expérience était en retard. Maintenant, les deux principaux concurrents se sont rencontrés dans un même piège.

Deux danseurs sur scène ne dansent plus en solitaire. Leur rivalité ouvre la voie à l'étude de la manière dont les propriétés superfluides s'entremêlent avec la réorganisation de l'ordre cristallin. La prochaine étape consiste à écouter la musique de leurs excitations collectives : les solides supersolides triangulaires et en bandes devraient sonner différemment. Peut-être que ces différences recèlent la clé pour comprendre les ordres concurrents dans les liquides quantiques et les matériaux complexes.