Tourbillons dans un supraconducteur : solides et liquides express
Dans un supraconducteur, le courant électrique circule sans perte, comme l'eau dans un tuyau parfaitement lisse. Mais si l'on place ce matériau dans un champ magnétique, des tourbillons apparaissent à l'intérieur — de minuscules entonnoirs où la supraconductivité est détruite. Tant que ces entonnoirs restent en place, le courant circule librement. Dès qu'ils bougent, une résistance apparaît et l'énergie se dissipe inutilement.
La mécanique quantique prédit qu'à basse température, les tourbillons s'alignent en un réseau régulier, comme des soldats au garde-à-vous. Lorsqu'on chauffe, cet alignement peut « fondre » : les tourbillons se mettent à trembler et à se déplacer, formant un liquide. On pensait auparavant qu'une telle fusion ne se produisait qu'à proximité de la température critique, lorsque la supraconductivité est sur le point de disparaître. Mais une équipe de scientifiques dirigée par Josef Lense a regardé à l'intérieur du matériau à l'aide d'un microscope à effet tunnel — un instrument qui détecte les tourbillons individuels comme les doigts sentent les aspérités d'une table.
Ils ont étudié le supraconducteur CaKAs$_4$Fe$_4$ dont la température critique est d'environ 35 kelvins (soit moins 238 degrés Celsius). À une température de seulement 18 kelvins — deux fois inférieure à la température critique —, dans certaines zones de l'échantillon, les tourbillons n'étaient plus alignés mais s'agitaient de manière désordonnée, comme une foule dans une gare. Ces « gouttelettes liquides » côtoyaient des régions où les tourbillons restaient immobiles, comme figés.
Cette découverte change notre compréhension du comportement des supraconducteurs dans des conditions réelles. Même avec un refroidissement modéré, des zones où la résistance n'est plus nulle peuvent apparaître dans le matériau. C'est important pour la technologie : les câbles supraconducteurs, les aimants des scanners IRM ou des accélérateurs de particules peuvent chauffer localement, même si la température moyenne semble sûre.
Désormais, en connaissant ces « gouttelettes liquides », les ingénieurs pourront chercher des moyens de maintenir les tourbillons en place — par exemple en ajoutant des défauts dans le matériau qui agissent comme des ancres. Ainsi, le supraconducteur restera un conducteur idéal dans une gamme de conditions plus large.
Résumé original
tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2601.18247
Type-II superconductors under magnetic fields are in a quantum coherent non-dissipative state as long as vortices remain pinned. Dissipation appears when vortices depin, eventually driven by thermal fluctuations. This can be associated to a melting transition between a vortex solid and a vortex liquid. This transition is almost always observed very close to T$$_c$$ when probed by macroscopic experiments. However, it remains unclear how the vortex solid responds to thermal fluctuations at the scale of individual vortices far from the melting transition. Here we use scanning tunneling microscopy (STM) to visualize vortices in CaKAs$$_4$$Fe$$_4$$ (T$$_c \approx$$ 35 K). We find vortex liquid droplets-localized regions in space where vortices strongly fluctuate due to thermal exctiation-at temperatures as low as 0.5\,T$$_c$$. Our results show that the onset of dissipation at the local scale occurs at temperatures considerably below T$$_c$$ in type-II superconductors.
Le microscope à effet tunnel ne détecte pas les tourbillons avec de la lumière, mais avec un courant électrique qui circule entre une pointe très fine et la surface. La pointe est si fine que seuls quelques atomes tiennent à son extrémité.
Dans le roman d'Arthur C. Clarke « Les Fontaines du paradis », un câble supraconducteur soutient un ascenseur spatial — mais si les tourbillons « fondent », le câble perdrait sa conductivité parfaite et l'ascenseur s'effondrerait.