théorie BCS

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.

Dans un couloir étroit, les gens ne marchent pas en foule mais en rangées. Le nombre de rangées dépend de la largeur du passage. Dans le graphène, ce couloir est joué par un contact ponctuel quantique — une constriction où les électrons se déplacent balistiquement, sans diffusion.

Un fil ordinaire chauffe quand le courant le traverse — une partie de l'énergie est perdue. Le supraconducteur n'a pas ce défaut : l'électricité y circule sans perte, comme l'eau dans un tuyau parfaitement lisse. Le problème, c'est que la plupart des supraconducteurs fonctionnent soit à très basse température, soit sous une pression colossale — comparable à celle des profondeurs planétaires.

Un minuscule sandwich d'oxydes, cultivé couche par couche, devient parfaitement conducteur à environ moins 200 degrés Celsius. Ce n'est pas un tour de magie, mais un nouveau chapitre dans la recherche de supraconducteurs à haute température.

De nombreux matériaux se comportent comme une glace capricieuse : sous une certaine pression, ils fondent ; sous une autre, ils durcissent. Les supraconducteurs de la famille des cuprates ne font pas exception. Leur capacité à conduire le courant sans perte dépend de la compression du réseau cristallin.

Dans les fines couches d'un cristal de séléniure de tantale (TaSe₂) se cache une propriété qui défie la physique conventionnelle. Lorsque des atomes invités ont été ajoutés entre les couches de ce matériau, la structure a perdu son centre de symétrie — et une supraconductivité blindée est apparue à l'intérieur.

Le courant sans pertes — le rêve de l'énergie. Certains matériaux deviennent supraconducteurs, mais généralement seulement à des températures extrêmement basses. Récemment, dans la famille des nickelates — des composés à base de nickel — on a découvert des candidats qui fonctionnent à des températures plus élevées.

Un film mince d'un cristal particulier, comme le disulfure de molybdène, repose sur une platine. La température est légèrement supérieure à celle à laquelle le matériau devient supraconducteur.

La superfluidité — cet état dans lequel la matière s'écoule sans frottement — est longtemps restée insaisissable dans les condensats de Bose-Einstein d'excitons neutres.

La supraconductivité est souvent imaginée comme une danse figée d'électrons : ils s'associent en paires et se déplacent sans résistance, tels des patineurs sur une glace parfaite. Mais dans les supraconducteurs à haute température, cette glace s'avère moins lisse qu'il n'y paraît.

Depuis près de quarante ans, la supraconductivité à haute température dans les cuprates reste l'une des énigmes les plus profondes de la physique de la matière condensée.

Le graphène, ce cristal de carbone bidimensionnel, a longtemps fait rêver les physiciens d'une supraconductivité à haute température. Ses électrons obéissent à l'équation relativiste de Paul Dirac, filent à une vitesse prodigieuse, presque sans se soucier les uns des autres.

Dans le cristal CsV3Sb5-xSnx, qui devient supraconducteur à basse température, le courant ne circule pas comme un flux continu mais le long de chemins étroits et sinueux. Pour les visualiser, on a utilisé un microscope à balayage équipé d'un capteur magnétique sensible : il détecte les moindres courants, comme un sondeur qui sonderait le fond.

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.

Une casserole d'eau bout toujours de la même manière : cent degrés, et les bulles apparaissent. Avec les liquides quantiques, c'est différent. Lorsqu'un nuage d'atomes est refroidi presque jusqu'au zéro absolu, il peut se transformer en une onde de matière unique — le condensat de Bose-Einstein.

Les supraconducteurs conduisent le courant sans perte, mais exigent généralement un froid extrême. Hg1223 — un mélange de mercure, de baryum, de calcium, de cuivre et d'oxygène — enfreint la règle : il cesse de résister au courant dès –139 °C. Le secret réside dans le fait que la forte répulsion électrique entre les électrons les force à s'apparier.

Une poêle étroite et allongée – et la fine crêpe y fige en bandes irrégulières. Pendant des décennies, les scientifiques ont observé un tableau similaire en modélisant le comportement des électrons dans les supraconducteurs – des matériaux qui conduisent le courant sans perte.

Une foule de personnes qui peuvent se déplacer librement, mais qui se mettent soudain à agir comme un seul corps — c'est ainsi qu'un supraconducteur laisse passer le courant sans résistance.

Une poignée d'allumettes tombe sur la table. Chacune repose au hasard, mais imaginons-la transformée en flèche — d'une extrémité à l'autre. Posons alors la question : peut-on aller d'un point à un autre en ne suivant que le sens des flèches ? Un groupe de points où l'on peut atteindre n'importe quel point depuis n'importe quel autre s'appelle un cluster fortement connecté.

La piste de danse est pleine de couples qui tournoient en valse. Habituellement, les partenaires se déplacent dans des directions opposées : l'un fait un pas en avant, l'autre en arrière, pour garder le rythme commun.

Une pierre tombe dans un étang, des cercles se propagent à la surface. En physique, une loi de conservation similaire s'applique à l'énergie et à l'impulsion : ce qui était là reste là. Mais dans un espace-temps courbe, où la gravitation règne en maître, définir des grandeurs conservées est plus délicat.

Dans les métaux que nous connaissons, comme le cuivre, les électrons se déplacent presque indépendamment — comme des voitures sur une autoroute dégagée. La résistance provient de collisions rares, et on peut la décrire par des formules simples.

Dans un supraconducteur, les électrons s'associent en paires, comme des danseurs qui se tiennent par la main. Habituellement, la distance entre eux — la taille de la paire — dépend de leur vitesse et de la force de leur liaison. Mais parfois, la piste de danse disparaît presque, et il n'y a plus de place pour bouger.

Le champ magnétique ne pénètre pas dans un supraconducteur comme un flux continu, mais sous forme de filaments fins : les vortex. En général, ils se repoussent et s'organisent en un réseau triangulaire régulier, comme des flotteurs à la surface de l'eau.

Dans le monde des supraconducteurs, les électrons n'aiment pas la solitude. D'habitude, ils s'associent en paires — les paires de Cooper — et se déplacent sans résistance, comme des patineurs artistiques se tenant par la main. Mais on peut les faire danser à quatre.

Un cristal de cuivre est comprimé dans une enclume de diamant. La pression augmente, et à l'intérieur du matériau se déroule une lutte entre deux états : l'un prépare les électrons à la supraconductivité, l'autre, au contraire, les empêche de s'associer. Les scientifiques ont suivi cette lutte à l'aide d'impulsions laser ultrabrèves.

La supraconductivité, c'est quand un courant électrique circule sans perte, comme l'eau dans un tuyau parfaitement lisse. Elle apparaît généralement à très basse température, mais certains matériaux la manifestent à des températures plus élevées.

Dans une casserole d'eau bouillante, des bulles de vapeur naissent et éclatent, mais l'eau reste liquide. Quelque chose de similaire se produit dans un gaz atomique ultra-froid : les atomes forment constamment des paires puis se séparent à nouveau, alors que la superfluidité n'est pas encore atteinte.

Dans un réseau cristallin qui évoque un panier tressé, les électrons s'associent parfois en paires et circulent sans résistance. Ce matériau — un supraconducteur à base de réseau kagomé — se comporte comme un orchestre capricieux : il suffit d'ajouter un peu de titane pour que la baguette du chef passe d'un ordre à un autre.

Le courant électrique dans un supraconducteur ressemble à une foule qui court dans un couloir sans frottement. Mais dans les supraconducteurs de type II, il y a des obstacles : de minuscules vortex de champ magnétique que le courant déplace. Dès qu'un vortex bouge, une résistance apparaît et le courant chute.

Dans une chaîne de pièges, comme une rangée de forts côtiers, des atomes se sont installés. À côté, une mer quantique : le condensat de Bose-Einstein (une substance à résistance nulle où les particules se déplacent comme une seule vague).

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.

Un cristal d'uranium de la taille d'un grain de riz a été refroidi à un cinquantième de degré au-dessus du zéro absolu. À cette température, la chaleur n'est pas transportée de manière chaotique, mais strictement selon les règles du monde quantique.

Certains matériaux, près du zéro absolu, deviennent supraconducteurs : l'électricité circule sans perte. La température critique marque le début de ce phénomène. John Bardeen et ses collègues ont expliqué que les vibrations atomiques collent les électrons en paires de Cooper.

L'effet Hall quantique a longtemps été soupçonné de superfluidité — la capacité de s'écouler sans frottement. Imaginez un chef qui suit une recette : pour chaque unité de flux magnétique, il doit ajouter exactement un certain nombre d'électrons.

Un conducteur ordinaire laisse passer le courant aussi bien dans un sens que dans l'autre, comme une porte qui s'ouvre vers l'intérieur comme vers l'extérieur. Une diode, c'est plutôt une porte avec un ferme-porte : elle s'ouvre facilement d'un côté, mais bute de l'autre.

Un alliage métallique ressemble à un cocktail : on mélange plusieurs éléments et on obtient un matériau aux nouvelles propriétés. Mais si le barman goûte la boisson, les ingénieurs, eux, doivent savoir à l'avance comment l'alliage se comportera en service.

Un supraconducteur ordinaire ressemble à une rangée de soldats marchant en couple : les électrons s'associent et leurs spins (les « toupies » internes) pointent dans des directions opposées. Un champ magnétique fait facilement basculer ces paires, détruisant la supraconductivité. Dans UTe₂, c'est différent.

Un faisceau de rayons X tombe sur un morceau de supraconducteur, et celui-ci s'échauffe à peine. Cet échauffement, de l'ordre du milliardième de degré, est la seule trace laissée par la lumière. Le nouveau détecteur capte précisément cette chaleur, comme un thermomètre sensible posé sur un métal froid.

Dans le réseau cristallin du séléniure de fer, les atomes de fer et de sélénium alternent comme des briques dans un mur. Mais parfois, des atomes de fer supplémentaires s'infiltrent dans les interstices — tels des invités indésirables qui se faufilent entre les briques.