Une étude, dont les résultats intitulés «Laser-induced melting of two-dimensional dusty plasma system in RF discharge» ont été publiés dans la revue Scientific Reports, a permis de confirmer expérimentalement une prédiction théorique impliquée par les travaux des lauréats du prix Nobel de physique 2016, Thouless, Kosterlitz et Haldane : elle concerne la présence d'une phase intermédiaire entre les états solides et liquides à la suite de la fusion topologique d'un cristal exotique que l'on trouve dans les plasmas poussiéreux et c'est la première fois que l'on observe cette fusion dans ce genre de cristal.

Relevons que «les travaux récompensés de Kosterlitz et Thouless portaient sur ce que l'on peut appeler des matériaux en dimension 2, dont on peut tenter de décrire la physique avec ce que l'on appelle des modèles XY dans un plan», autrement dit «des structures que l'on peut considérer comme formant une seule couche d'atomes, par exemple des films d'hélium liquide ou des feuillets de graphène»: ces systèmes XY étant «comme des champs de vecteurs vitesses à la surface d'une sphère, champs qui peuvent se structurer en donnant des structures tourbillonnantes».

Ainsi, «Thouless, Kosterlitz et Berezinskii ont montré comment comprendre qu'une transition de phase exotique avec apparition d'un ordre à basses températures pouvait bel et bien se produire dans de tels systèmes en 2D». Des considérations de topologie se sont avérées centrales pour obtenir ce résultat «que l'on a depuis baptisé la transition de Berezinsky-Kosterlitz-Thouless (ou transition BKT)»caractérisée par des vortex quantiques dans les modèles XY.

Pour sa part, l'étude ici présentée a «confirmé la pertinence de l'universalité dans la transition BKT en faisant pour la première fois son observation avec la formation d'un plasma poussiéreux, qui est «un plasma, donc un gaz d'électrons et d'ions, contenant des particules de taille micrométrique (10⁻⁶) à nanométrique (10⁻⁹) en suspension».

Ces plasmas poussiéreux, qui «se retrouvent en astrophysique (comètes, anneaux planétaires) mais aussi dans des expériences de micro-électronique et avec les tokamaks explorant le chemin menant à la fusion contrôlée», constituent «des laboratoires intéressants pour étudier la physique fondamentale de l'auto-organisation, de la formation de motifs, et bien sûr des transitions de phase».

L'étude en question ici témoigne ainsi que, pour la première fois, une expérience a permis «d'observer clairement un processus de fusion cristalline en deux étapes et d'identifier les points de transition de phase avec la phase solide-hexatique et la phase hexatique-liquide», en rapport avec la fusion topologique d'un cristal dans un plasma poussiéreux.

Il s'agit d'une manifestation «d'une des prédictions de la théorie de la transition de phase BKT ou plus précisément de la théorie KTHNY qui décrit la fusion des cristaux en deux dimensions», dont le nom dérive «des initiales des noms de famille de John Michael Kosterlitz, David J. Thouless, Bertrand Halperin, David R. Nelson et A. Peter Young». En réalité, cette notion de cristal «décrit la répartition des particules de poussières dans le plasma et pas le plasma lui-même qui, évidemment, n'est pas un solide cristallisé».

Alors qu'avec «un solide cristallin ordinaire en 3D, comme de la glace d'eau, l'apport de chaleur permet de passer directement de l'état solide à l'état liquide», avec «une transition de phase topologique partant d'un cristal que l'on peut considérer comme bidimensionnel, le processus de fusion peut avoir lieu en deux étapes, passant par une phase topologique intermédiaire appelée phase hexatique». C'est cette phase intermédiaire ne correspondant ni à un solide ni à un liquide que cette étude met en évidence dans des expériences «faisant intervenir la formation de plasma poussiéreux».

Finalement, ces recherches pourraient déboucher «sur de nouveaux matériaux aux propriétés souhaitées, des dispositifs basés sur eux en microélectronique et en médecine sur le séquençage de l'ADN».