vortex et superfluidité dans des gaz fermioniques ultrafroid

Voilà le titre d'un article paru dans "Nature" la semaine dernière concernant un domaine très actif dans lequel une publication importante parait environ chaque semaine : celui des condensats de Bose-Einstein (BEC). Un gaz de bosons, corpuscules de spin entier, peut former un condensat de Bose-Einstein dans lequels tous les bosons se condensent dans leur état fondamental. Ce n'est pas possible avec les fermions (corpuscule de spin demi-entier) à cause du principe d'exclusion de Pauli qui interdit à deux fermions identiques d'occuper le même état quantique. En fait des expérimentateurs ont quand même réussi à condenser des gaz de fermions moléculaires ultrafroid dans lesquels des fermions s'arrangent en paires spatiallement localisées (ca donne un boson au final). On est dans un régime d'interaction forte. Les fermions peuvent également s'apparier deux à deux, à la manière des électrons dans les superconducteurs ou des nucléons dans le noyaux avec les paires de Cooper, en un objet composite de spin entier se comportant là aussi comme un Boson. Ces phénomènes de superfluidité ou de superconductivité sont décrits dans le cadre d'un formalisme élaboré par Bardeen Cooper et Schiffer, la théorie BCS. Dans ce cas, on a un régime d'interaction faible où les fermions forment des paires délocalisées dans l'espace des impulsions. BEC et superfluidité sont donc intimement liés et il est possible de passer continuement d'un régime à l'autre en utilisant un champ magnétique et en le faisant varier de part et d'autre d'une valeur correspondant à celle de la résonance dite de Feshbach. Jusqu'à présent, dans des "gaz" fermioniques, les chercheurs n'avaient réussi qu'à mettre indirectement en évidence la présence de superfluidité. M.W. Zwierlin et al. du MIT viennent d'en apporter la preuve "définitive", le smoking gun. Pour cela, ils ont confiné dans un piège magnéto-optique des atomes de Li7 qu'ils ont refroidi ensuite par laser. Un champ magnétique extérieur est utilisé pour changer la force de l'interaction. Ils ont ensuite mis en rotation le condensat et ont relaché le piège. Ils ont pu ainsi mettre en évidence en premier la superfluidité dans un condensat moléculaire via l'observation d'un réseau triangulaire de 25 vortex que l'expansion ballistique après relachement du piège a permis d'observer. Ensuite, allant du côté "BCS" de la résonance de Feshbach, ils ont également pu visualiser un réseau de vortex. Dans cette région il est exclut que les fermions puissent former des molécules stables et isolées. L'hypothèse d'une formation de ces vortex durant l'expansion ballistique a été également écartée signant cette fois-ci fermement l'existence de paires de fermions appariés en régime BCS. L'expérience de Zwierlin et al. est donc également pionnière dans l'exploration de cette zone de transition. sources : R. Grimm, Nature 435 (2005), 1035 M.W. Zwierlien et al., Nature 435 (2005), 1047