Cordes cosmiques dans un nanocomposite : comment voir l'écho du Big Bang ✛

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Après le Big Bang, selon la cosmologie inflationniste, l'Univers a connu une expansion rapide et une série de transitions de phase. Pendant cette période, pensent les théoriciens, des défauts topologiques — cordes cosmiques, parois de domaine, monopôles — ont pu se figer dans le tissu de l'espace-temps. Leur recherche dure depuis des décennies, mais aucune preuve directe n'existe encore. Étonnamment, la physique nous donne la possibilité d'entrevoir ce « moment de la création » sur une paillasse de laboratoire. Lorsqu'une substance subit une transition de phase avec brisure de symétrie — par exemple, se transforme en supraconducteur ou en condensat de Bose-Einstein — des défauts similaires apparaissent spontanément. La différence n'est qu'une question d'échelle : au lieu d'années-lumière, on manipule des microns. C'est une telle transition qu'a étudiée l'équipe de physiciens, qui a utilisé un nanocomposite à base de MgB₂ — un supraconducteur dont la nature de l'appariement est bien connue, découverte par John Bardeen et ses collègues dans le cadre de la théorie BCS.

La caractéristique clé de l'expérience est le régime de refroidissement. Habituellement, pour effacer les traces de non-équilibre et voir les défauts « gelés » selon le mécanisme de Kibble-Zurek, il faut une chute brutale de température (quench). Ici, les vortex ont été observés lors d'un refroidissement très progressif — environ 0,2 K/s. La raison en est la morphologie inhabituelle du composite : les grains supraconducteurs de MgB₂, occupant environ 30 % du volume, sont entourés d'une matrice de MgO diélectrique mais électriquement conductrice grâce aux lacunes d'oxygène. Les grains sont reliés entre eux par des contacts Josephson, de sorte qu'au niveau macroscopique une cohérence de phase s'établit, mais avant qu'elle ne s'installe, chaque domaine possède déjà sa propre phase aléatoire du paramètre d'ordre. Lorsque ces « îlots » se connectent en un réseau unique, la phase n'a pas le temps de s'aligner complètement, engendrant des boucles de vortex avec une profondeur de pénétration du champ énorme — jusqu'à 10 µm. La microscopie SQUID à balayage interférométrique, fonctionnant comme un capteur ultra-sensible de mesure quantique du flux magnétique, a permis de voir directement ces structures pour la première fois. La simulation numérique des distributions de courant a confirmé que les vortex épousent littéralement la géométrie fractale sinueuse des canaux tracés par le supercourant parmi les grains.

Ce travail n'est pas qu'une belle image, c'est une avancée dans la compréhension des transitions de phase dans les milieux désordonnés. Il transforme un morceau de nanocomposite supraconducteur en un simulateur programmable de l'Univers primordial : en modifiant la vitesse de refroidissement ou la morphologie des grains, on peut étudier comment naissent et évoluent les défauts topologiques dans des conditions loin de l'homogénéité idéale. La perspective proche est l'utilisation d'un SQUID sur pointe avec une résolution nanométrique pour examiner un vortex spontané dans ses moindres détails et extraire directement la longueur de corrélation de phase. Cela permettra non seulement de tester les prédictions de la théorie de Kibble-Zurek dans une nouvelle limite « lente », mais aussi, peut-être, de trouver des approches pour contrôler les propriétés supraconductrices par la création contrôlée de structures de vortex. En fin de compte, nous nous rapprochons de la lecture des premières empreintes de la brisure de symétrie — les échos magnétiques figés de l'ère inflationniste, conservés dans un morceau de céramique à la température de l'hélium liquide.