Une étude, dont les résultats intitulés «Room-temperature superfluidity in a polariton condensate» ont été publiés dans la revue Nature Physics, a permis d'obtenir à température ambiante une transition de phase pour la lumière vers un état superfluide.

Rappelons tout d'abord que «le concept de superfluide est parti des travaux d'Albert Einstein et Satyendra Nath Bose dans les années 1920, qui ont conduit à la notion de condensation de Bose-Einstein». Ce concept, «bien qu'issu de recherches des deux physiciens sur la lumière», a été, en «se montrant pertinent pour comprendre le comportement de l'hélium 4 près du zéro absolu ou celui des matériaux supraconducteurs», d'abord appliqué, paradoxalement, à la matière.

Plus précisément, «un superfluide, avec une viscosité nulle, peut s'écouler sans rencontrer de résistance parce qu'il est constitué de particules que l'on appelle des bosons»: ainsi, «dans le cas d'un supraconducteur, ce sont des paires d'électrons qui se comportent comme des bosons» et s'écoulent comme un superfluide du fait que la résistance du supraconducteur s'annule à très basses températures (Bien que les électrons soient des fermions, ils «s'assemblent en paires dites de Cooper, qui sont des bosons»).

Comme les photons sont des bosons, «on pourrait naïvement s'attendre à ce que la lumière manifeste certaines propriétés des superfluides», mais «ce n'est pas du tout ce qui est observé dans les expériences menées durant une grande partie du XXe siècle».

L'explication est «que les particules d'un fluide sont en interaction mutuelle et qu'elles peuvent entrer en collision» alors qu'en général, «deux grains de lumière ne se comportent pas comme s'ils pouvaient rebondir l'un sur l'autre, à la manière des molécules de l'air». C'est, cependant, possible «mais cela ne se produit qu'à des énergies très élevées, en rapport avec le phénomène de polarisation du vide quantique et la création de paires d'électrons et de positrons».

Néanmoins, «les progrès dans le domaine de l'optique des milieux non-linaires ont montré que l'interaction de la lumière avec la matière dans certains matériaux forçait en quelque sorte les photons à se comporter comme s'ils étaient des particules capables d'interagir». Des expériences ont alors «montré que, dans certaines situations, la lumière se comporte bien comme un liquide» où émergent «des structures analogues aux tourbillons» se formant quand une rivière rencontre un obstacle.

Pour sa part, l'étude ici présentée, en ayant recours à des 'polaritons', prouve qu'il est aussi «possible de forcer la lumière à s'écouler comme un superfluide dans des expériences d'optique quantique non-linaire», et de supprimer, en conséquence, «les effets de turbulences rencontrés avec les fluides de lumière ordinaire». Surtout, elle a permis d'obtenir «une transition de phase vers un état superfluide à température ambiante», un phénomène «activement recherché avec des électrons au sein d'un solide, car il bouleverserait notre technologie».

Rappelons ici que les polaritons sont, en mécanique quantique, des quasi-particules, car, «sans être des particules élémentaires, comme les photons ou les électrons», ils se comportent sensiblement «comme elles en raison des règles de la théorie quantique».

Dans l'expérience réalisée dans cette étude, «les polaritons sont des sortes de mélange de matière et de lumière» qui «se forment notamment dans une cavité optique formée de deux miroirs». Fabriqués «dans un film extrêmement mince de molécules organiques entre deux miroirs hautement réfléchissants», ils «forcent la lumière à s'écouler comme un liquide quantique superfluide autour d'un obstacle au lieu de se diffuser comme une onde classique».

En fin de compte, cette expérience, qui prouve qu'il est «possible d'observer un tel effet dans des conditions ambiantes», ouvre la voie à de futurs travaux sur «la physique des condensats de Bose-Einstein dans des conditions beaucoup plus accessibles» et à la conception «de futurs dispositifs photoniques utilisant les superfluides dans lesquels les pertes par diffusion seraient complètement éliminées».