aluminium

Une fine couche d'arséniure d'indium est cachée sous un film supraconducteur, comme une voix sous le bruit d'une foule. Dans un tel hybride, le courant suit le chemin de moindre résistance et circule presque entièrement dans le métal, de sorte que le semi-conducteur reste inaudible pour les instruments ordinaires.

Un métal composé de cinq atomes différents, c'est comme une soupe où flottent des morceaux de carotte, de petits pois, de pomme de terre, d'oignon et de viande. Chaque morceau représente un élément : le chrome, le vanadium, le titane, le niobium et le tantale.

À l'intérieur d'une enclume de diamant, qui comprime l'échantillon avec une force des millions de fois supérieure à la pression atmosphérique, un mince film de lanthane rencontre l'hydrogène. L'hydrogène provient de l'ammoniac-borane – une poudre qui, lorsqu'elle est chauffée, libère son hydrogène comme une éponge libère de l'eau.

Une puce électronique de la taille d'un ongle dégage autant de chaleur qu'une petite ampoule. Évacuer cette chaleur, c'est comme vider un verre de thé brûlant avec une cuillère à café : le matériau isolant autour des transistors conduit généralement mal la chaleur.

Une plaquette de céramique aussi fine qu'un film de savon, et pourtant un courant la traverse sans la moindre résistance. Voilà à quoi ressemble la supraconductivité obtenue dans les nickelates, ces cousins des célèbres supraconducteurs à base de cuprates.

Une fine couche d'oxyde d'yttrium-baryum-cuivre chauffe sous un flux de rayons infrarouges — et soudain, elle cesse de dissiper de l'énergie. C'est la supraconductivité : les électrons s'associent en paires et se déplacent comme un essaim quantique unifié.

Un potier trace un motif sur une tuile d'argile encore humide avec un scalpel bien aiguisé. Un faux mouvement, et la ligne s'étale, la tuile se fissure. C'est à peu près ainsi que les physiciens travaillent sur des couches minces du supraconducteur à haute température YBCO (un composé d'yttrium, de baryum, de cuivre et d'oxygène).

Les électrons dans un conducteur ressemblent à une foule désordonnée : en se heurtant, ils perdent de l'énergie, et une résistance apparaît. Dans un supraconducteur, en revanche, ils se déplacent de manière coordonnée, comme des couples dans une danse bien réglée, sans se gêner. Cet état a une entropie réduite — c'est-à-dire un désordre moindre.

Chaque électron est un minuscule aimant. Dans une couche de chlorure de fer d'un atome d'épaisseur, ils s'orientent tous dans la même direction, comme des danseurs dans un numéro parfaitement synchronisé. D'habitude, la nature évite un tel ordre (c'est ce qu'on appelle la haute entropie), mais les forces quantiques les contraignent à obéir.

Un pont d'aluminium de quelques atomes d'épaisseur est le cœur de nombreux dispositifs quantiques. À travers un tel pont, le courant circule sans résistance, et on peut le contrôler par un champ magnétique.

Le plutonium est un métal au caractère bien trempé. L'une de ses formes se contracte lorsqu'on la refroidit, une autre gonfle. Mais à température ambiante, l'alliage se comporte étrangement : la règle indique une chose, les rayons X en montrent une autre.

Fine comme une bulle de savon, une membrane de nitrure d'aluminium est suspendue au-dessus d'une plaque miroir, avec entre elles une couche d'air d'un micromètre d'épaisseur.

Une feuille de papier ne pèse presque rien, mais si l'on empile cent feuilles, on obtient une liasse bien tangible. C'est à peu près ce qu'ils ont fait avec un matériau qui excelle à convertir une couleur de lumière en une autre, mais seulement lorsqu'il a l'épaisseur d'un atome. Une seule couche, c'est comme une seule feuille : cela fonctionne joliment, mais c'est trop fin pour produire beaucoup de lumière.

Un sol en mosaïque composé de nombreuses petites tuiles orientées dans des directions différentes. On pourrait penser que tout motif tentant de traverser un tel sol se briserait et disparaîtrait. C'est ainsi que l'on considère généralement le désordre dans les cristaux : si les atomes ne sont pas alignés dans un réseau parfait, les effets quantiques subtils devraient s'effondrer.

Une casserole en aluminium sur la cuisinière fond à 660 degrés Celsius, tout le monde le sait. Mais que se passe-t-il si on chauffe l'aluminium cent fois plus fort ? Le liquide se met à bouillir, et c'est là que le mystère commence : à quelle température exactement ?

Un supraconducteur est un matériau dans lequel le courant circule sans perte, comme l'eau dans un tuyau parfaitement lisse. Mais pour que le tuyau devienne parfait, il faut le refroidir à une température très basse.

Au cœur des supraconducteurs à base de cuivre — ces matériaux qui conduisent le courant sans perte à des températures étonnamment élevées — se cache une phase invisible. Elle se comporte comme un métal ordinaire, mais elle est indétectable dans les mesures standard.

Une casserole en aluminium ordinaire sur une cuisinière n'émet pas de molécules que l'on pourrait piéger avec de la lumière.

Habituellement, pour produire des ondes térahertz (une lumière située entre les micro-ondes et l'infrarouge), on construit un sandwich de métaux différents. Une couche sert de source, l'autre de collecteur de charges. Dans ces montages, le platine jouait le rôle de simple conducteur. Mais il s'avère qu'il peut fonctionner seul.

Fine comme une toile d'araignée, une pellicule de cinq métaux a encaissé le choc du laser. À l'intérieur, la pression a grimpé jusqu'à 55 gigapascals — c'est comme si cent éléphants se tenaient sur un ongle. L'alliage a tenu le coup et s'est comprimé pendant une fraction de nanoseconde, sans se briser.

Une fine pellicule d'oxyde de nickel, épaisse de quelques dizaines de nanomètres, est comme une feuille de papier pliée des centaines de fois. À température ambiante, elle conduit l'électricité, mais il suffit de la refroidir légèrement pour qu'elle devienne isolante.

Un thermomètre de cuisine ordinaire indique la température à laquelle le mercure cesse d'opposer une résistance au courant électrique.

La supraconductivité est la capacité d'un matériau à conduire l'électricité sans perte. Les fils ordinaires chauffent et une partie de l'énergie se dissipe en chaleur, alors qu'un supraconducteur laisse passer le courant sans résistance.

Les puces à l'intérieur des smartphones et des ordinateurs deviennent de plus en plus denses : des milliards de transistors sont entassés sur un morceau de silicium de la taille d'un ongle. En fonctionnement, ils dégagent de la chaleur, comme de minuscules poêles. Si la chaleur n'est pas évacuée, la puce surchauffe, commence à dysfonctionner ou tombe en panne.

Dans un cristal métallique, les atomes sont alignés en rangées régulières, comme des briques dans un mur. Mais si l'on retire une brique, il reste un vide — on appelle cela une lacune. Sous irradiation, ces vides deviennent nombreux, ils commencent à fusionner en grands trous, et le métal perd de sa résistance.

Un film mince de niobium et d'étain conduit le courant sans résistance, tant qu'on ne le rend pas vraiment trop mince. Alors, il devient soudainement isolant. Un groupe de physiciens a vérifié ce qui se passe si l'on ajoute un peu plus d'étain que ne le veut la formule.

Un ordinateur quantique ressemble à un instrument de musique : même une minuscule rayure sur une corde gâche le son. Au lieu de cordes, on trouve des résonateurs supraconducteurs, de fines pistes de nitrure de titane sur une plaque de silicium.

Un bit quantique, c'est comme une toupie qui doit tourner longtemps sans vaciller. Dans le germanium, on a appris à lancer ces toupies, mais le sol tremble toujours autour : les interférences électriques perturbent la rotation.

Un supraconducteur ordinaire et un champ magnétique, c'est comme l'eau et le feu : le champ déchire les paires d'électrons qui transportent le courant sans résistance. Mais si, au lieu d'un film continu, on prend une poussière de minuscules grains d'aluminium, chacun recouvert d'une fine couche d'oxyde, la donne change.

Un cristal, c'est comme une mosaïque parfaitement posée d'atomes. Mais faire pousser une telle mosaïque est un problème corsé : si l'ordre se dérègle un peu, apparaissent des « joints » — des frontières où les rangées d'atomes ne coïncident pas. Pour l'électronique ordinaire, c'est un détail ; pour un ordinateur quantique, c'est une catastrophe.

Un photon de rayons X frappe le capteur comme un caillou tombe dans une eau calme. L'eau, c'est un film mince d'aluminium et de manganèse, refroidi presque au zéro absolu. L'impact sur le film fait naître une onde de chaleur, et la hauteur de cette onde permet de savoir combien d'énergie le photon a apporté.

Dans un métal épais, les électrons ressemblent à un orchestre désaccordé : chaque instrument joue pour soi, et le son d'ensemble n'est que bruit. Mais étalez le métal en une pellicule de quelques atomes, et voilà que les électrons se mettent soudain à « jouer » en harmonie, conduisant le courant sans fausse note.

Dans les profondeurs de l'espace, à plus de 12 milliards d'années-lumière, le télescope James Webb a aperçu une galaxie qui semble être une invitée des premiers jours de l'Univers.

À l'intérieur d'un transistor puissant, la chaleur s'échappe à travers les jonctions de différents cristaux, comme l'eau à travers des écluses étroites. Pour les nitrures d'aluminium et de gallium — les principaux matériaux de l'électronique de puissance — cette écluse est souvent une fine couche de leur alliage.

Un fil ordinaire à haute fréquence ressemble à une route pleine de nids-de-poule : le signal saute, une partie de l'énergie se dissipe en chaleur. Une chaîne supraconductrice en aluminium et en arséniure d'indium (un semi-conducteur) s'est révélée être une piste lisse pour les micro-ondes.

Le faisceau laser, tel un burin fin, grave l'oxygène hors du film supraconducteur. Là où l'oxygène se fait plus rare, le matériau cesse de conduire le courant sans résistance. Les scientifiques ont utilisé cette technique pour dessiner sur le film des motifs qui en modifient les propriétés.

Deuxième visiteur interstellaire, la comète 3I/ATLAS brille d'une manière inhabituelle à cause de grains de métal rouillés dans son noyau glacé. En s'approchant du Soleil, elle se comporte comme une vieille boîte de conserve jetée dans un feu de camp : la chaleur fait fondre la glace, l'eau s'infiltre dans le métal, et une corrosion intense s'ensuit.

Pour que les bits quantiques basés sur des électrons fonctionnent sans accroc, ils ont besoin d'un substrat d'une perfection absolue — comme un miroir qui ne déforme pas le reflet.

Un conteneur fiable plutôt qu'un tube à essai fragile : c'est ainsi que l'on peut décrire le passage des pièges pour radicaux chimiquement réactifs au confinement de molécules stables. Jusqu'à présent, les pièges magnéto-optiques ne fonctionnaient qu'avec des particules prêtes à réagir au premier contact.

Trente nanomètres, c'est la distance sur laquelle un phonon sprinteur n'a pas encore le temps de prendre de l'élan.