Un champ magnétique de 8 teslas, c'est 200 fois plus fort que le champ terrestre. Sous un tel champ, la supraconductivité dans un film mince de ditellurure de palladium ne se contente pas de survivre, elle tient jusqu'à une température de 20 millikelvins, soit cent fois plus froid que l'espace interstellaire. Pour comparaison, un film épais du même matériau a un champ critique 80 fois plus faible. Le secret réside dans l'épaisseur. À seulement 19 nanomètres, la pince quantique réécrit les règles du jeu.
La supraconductivité, c'est une danse de paires d'électrons qui se déplacent sans résistance. Mais le champ magnétique brise cette danse de deux manières. La première est l'effet orbital : le champ fait tourner les électrons en tourbillons, comme des remous dans une rivière. La seconde est l'effet de spin, qui agit sur le moment magnétique intrinsèque de l'électron, comme s'il forçait les partenaires à se regarder dans des directions opposées. Pour les films minces, lorsque le champ est dans le plan, la contribution orbitale disparaît presque, et la limite de Pauli entre en scène, cette frontière au-delà de laquelle la séparation de spin déchire les paires. La formule classique suppose que le facteur g (le nombre qui indique la force de l'interaction entre le spin et le champ) est égal à deux. Mais dans PdTe2, il s'avère que ce facteur varie avec l'épaisseur.
Les expérimentateurs ont fait croître des films de PdTe2 de différentes épaisseurs, de 19 à 50 nanomètres, par tellurisation du palladium. Ensuite, au National High Magnetic Field Laboratory, ils ont refroidi les échantillons à 20 millikelvins et mesuré la résistance sous un champ magnétique allant jusqu'à 8 teslas. Le résultat a été inattendu : le champ critique est passé de 0,1 à 8 teslas, soit une multiplication par 27, alors que la température de transition supraconductrice restait presque inchangée. L'analyse à l'aide de l'équation autocohérente pour la fente d'énergie a montré que le facteur g effectif augmente avec l'épaisseur. Dans les films minces, le confinement quantique augmente l'écart entre les sous-bandes d'énergie, et la contribution des bandes supérieures au facteur g diminue. Ainsi, l'étau à l'échelle nanométrique comprime la susceptibilité de spin.
Cette découverte n'est pas une simple curiosité de laboratoire. Elle offre un nouvel outil pour ajuster les dispositifs supraconducteurs. Si l'on veut qu'un supraconducteur fonctionne sous un champ magnétique intense, il suffit de le rendre plus mince. De plus, pour les trois films les plus minces, le modèle cesse de décrire les données en dessous de 100 millikelvins, ce qui suggère l'apparition d'un appariement inhabituel, par exemple triplet. C'est déjà un pont vers les supraconducteurs topologiques, où les propriétés de spin sont cruciales pour le calcul quantique.
La pince quantique a fonctionné. L'épaisseur du film, 19 nanomètres, soit 500 fois plus fin qu'un cheveu humain, a réécrit la limite de Pauli. Et maintenant que le champ magnétique de 8 teslas n'est plus une condamnation à mort pour la supraconductivité, la voie est ouverte vers des matériaux aux propriétés programmables. Reste à comprendre ce qui se cache dans la divergence à basse température entre la théorie et l'expérience, et si l'on n'y trouvera pas la clé d'une supraconductivité d'un nouveau type.
Le champ de 8 T atteint pour le film de 19 nm est environ 200 fois plus fort que le champ magnétique terrestre. De plus, la supraconductivité est maintenue à une température de seulement 20 millikelvins, soit 100 fois plus froid que l'espace interstellaire.
L'idée de contrôler les propriétés des matériaux par la taille évoque le concept de « matière intelligente » de la science-fiction, où les nanostructures sont programmées pour obtenir les caractéristiques souhaitées. Dans le roman « L'Âge de diamant » de Neal Stephenson, les nanotechnologies permettent de créer des matériaux aux propriétés spécifiques, ce qui fait écho au réglage de la supraconductivité par l'épaisseur du film.