Transitions de phase : une onde qui ne propage pas, mais diffuse comme du thé dans l’eau

Imaginez deux scénarios simples : d’un côté, vous frappez l’eau de votre baignoire — une onde se propage en cercles. De l’autre, vous laissez infuser un sachet de thé — la couleur se diffuse doucement, sans faire de vagues. Ces deux dynamiques très différentes ont été démontrées à l’échelle du monde quantique par des chercheurs du LKB. Ils ont observé un phénomène lié aux transitions de phase — le moment où un système change d’état, comme l’eau qui gèle ou bout. Dans les systèmes à l’équilibre, ces transitions s’accompagnent souvent de l’apparition d’ondes appelées modes de Nambu-Goldstone, qui se propagent comme des vagues dans l’eau. Mais dans les systèmes hors équilibre, ces mêmes modes ne se propagent plus. Ils se diffusent — comme le thé dans l’eau chaude.

Équilibre ou hors équilibre : toute la différence du monde
Dans les manuels de physique, on parle souvent de systèmes à l’équilibre : des situations idéales où les échanges d’énergie se compensent. Mais dans la réalité, quasiment tout est hors équilibre : un feu de camp, une cellule vivante, une étoile… ou un condensat de polaritons (des quasi-particules mi-lumière, mi-matière), comme celui étudié dans cette expérience. Ces systèmes doivent être constamment alimentés en énergie pour exister.
Un condensat de polaritons a été créé et sondé par des chercheurs du LKB pour observer la réaction du condensat de polaritons à une excitation. Résultat : contrairement aux cas classiques où une onde se propage, ici, elle s’éteint progressivement en se diffusant. Une signature claire de la dynamique diffusive prédite par la théorie mais encore jamais observée.

La fragilité d’un ordre spontané
Cette dynamique diffusive apparaît quand une symétrie est rompue spontanément — un processus où l’ordre se crée sans qu’on l’impose, comme lorsqu’un groupe d’oiseaux choisit une direction de vol sans leader. C’est le coeur des transitions de phase.
Mais l’équipe est allée plus loin : elle a volontairement imposé un “chef d’orchestre” au système, via un faisceau laser supplémentaire. Immédiatement, le mode de Nambu-Goldstone a disparu. Comme prévu, la dynamique s’est modifiée — preuve expérimentale de la fragilité de cet ordre spontané.

Une avancée pour comprendre l’irréversible
Ces résultats ouvrent une fenêtre sur une classe entière de phénomènes physiques : ceux qui échappent aux lois de l’équilibre, qui gouvernent pourtant la majorité des théories classiques et quantiques. Sur le long terme, ces recherches pourraient inspirer de nouveaux dispositifs photoniques ou aider à mieux comprendre des systèmes complexes comme les cellules vivantes ou les circuits quantiques.

Références : Claude F., Jacquet M.J. et al., Observation of the diffusive Nambu-Goldstone mode of a non-equilibrium phase transition, Nature Physics, 2025. DOI : 10.1038/s41567-025-02902-z
https://www.nature.com/articles/s41567-025-02902-z