supraconductivité de couleur

Au cœur d'une étoile à neutrons, où la matière est comprimée à la densité du noyau atomique, les neutrons forment un liquide superfluide et les protons un supraconducteur. Un vortex de neutrons est un vortex quantifié dans le superfluide, semblable à un minuscule tourbillon qui ne peut pas s'arrêter.

À basse température, de nombreux matériaux deviennent supraconducteurs : le courant circule sans résistance. Mais comment cela se produit-il si les électrons étaient d'abord piégés dans un isolant ?

Le proton n'est pas une boule pleine, mais une minuscule prison. À l'intérieur, trois quarks sont enfermés, et le champ de gluons les empêche de s'échapper – une sorte de fils invisibles qui ne font que se renforcer lorsque les quarks tentent de s'éloigner.

Une poignée de sable dans le poing : les grains se bloquent les uns contre les autres, et la main ne peut pas se refermer davantage. La matière ordinaire se comporte de la même façon.

Les étoiles à neutrons sont des cornues alchimiques cosmiques : à des densités supranucléaires, les hadrons fondent en plasma de quarks et de gluons (PQG), et au cœur même, là où la pression atteint son maximum, naît un supraconducteur de couleur (SC).

Dans les profondeurs d'une étoile à neutrons massive, où une cuillère à café de matière pèse comme une montagne, les quarks sont compressés à une proximité inimaginable.

À l'intérieur d'une étoile à neutrons, la matière est comprimée au point que les noyaux atomiques cessent d'être des amas distincts. Les neutrons et les protons se rapprochent, et leurs entrailles — les quarks — commencent à sentir leurs voisins à travers les parois de leurs « sacs ».

Si l'on comprime une poignée de sable jusqu'à la taille d'une tête d'épingle, elle se transforme en pierre. Mais si l'on comprime encore plus fort — jusqu'à la densité du noyau atomique —, les grains de sable perdent leur forme. Les protons et les neutrons se dissolvent, et la matière devient une sorte de soupe de quarks libres.

Si vous essayez de briser un proton et d'en extraire un quark, vous aurez une surprise. Les forces ordinaires, comme la force électrique, faiblissent lorsque les particules s'éloignent. Ici, c'est le contraire. Plus un quark est loin de ses voisins, plus il est rappelé.

Un bus bondé où chaque passager est un électron. Dans un supraconducteur, les passagers s'associent en paires et se déplacent de manière coordonnée, sans perte d'énergie. Mais dans les supraconducteurs à haute température, comme les cuprates, cette idylle ne fonctionne que si l'on ajoute des passagers supplémentaires.

Dans un résonateur supraconducteur, la lumière ne se contente pas de se réfléchir : elle enlace le qubit si étroitement que leur danse commune ne peut plus être décrite par les vieux manuels.

La surface du cristal du composé d'uranium UTe2 ressemble à une mer figée : à certains endroits, les électrons se déplacent librement, à d'autres, ils restent piégés près des atomes. Un microscope à effet tunnel (un instrument qui sonde la surface avec une aiguille extrêmement fine et détecte des électrons individuels) a révélé que ce paysage n'est pas dû au hasard.

Dans certains matériaux, le courant électrique circule sans la moindre résistance. Ce sont les supraconducteurs, et ils ne fonctionnent que par grand froid. Les oxydes de cuivre sont un cas particulier : ils conservent la supraconductivité à des températures plus élevées, mais pourquoi ?

La lumière ordinaire est un flux de particules indépendantes : les photons se traversent sans se soucier de leurs voisins. Mais dans les circuits supraconducteurs, refroidis à des températures proches du zéro absolu, la donne change.

À l'intérieur d'une minuscule cavité miroir, plus petite que l'épaisseur d'un cheveu, la lumière est piégée et se réfléchit de nombreuses fois sur les parois. Si l'on y place une substance capable d'absorber et d'émettre de la lumière, les particules de lumière (photons) se « vêtent » d'excitations de la matière — c'est ainsi que naissent les modes polaritoniques.

L'eau dans une bouilloire chauffe jusqu'à cent degrés, puis cesse d'être de l'eau pour devenir de la vapeur. Quelque chose d'analogue se produit avec les noyaux atomiques lorsqu'on les fait entrer en collision à des vitesses énormes dans le Grand collisionneur de hadrons.

Deux faisceaux lumineux — rouge et bleu — entrent dans un minuscule anneau de nitrure de silicium. L'anneau est plus petit que l'épaisseur d'un cheveu humain. À l'entrée, les deux faisceaux sont également brillants.

Dans un milieu fortement désordonné, les particules quantiques se comportent comme des danseurs exécutant des pas en parfaite synchronie : chacun connaît son mouvement et évite les collisions.

Un corps supersolide, c'est de la glace qui coule. Comme un étang pris par une croûte, mais avec des profondeurs liquides sans frottement. D'habitude, on fabrique cette croûte en modifiant les propriétés du liquide dans tout son volume.

La mosaïque de Penrose, composée de deux types de tuiles, pave le plan sans motif répétitif — une merveille mathématique découverte par Roger Penrose a trouvé une incarnation physique dans le monde quantique. Les chercheurs ont modélisé une chaîne de particules interagissant selon une règle qui rappelle les nombres de Fibonacci et le nombre d'or.

Dans les fils ordinaires, les électrons se bousculent, perdent de l'énergie, chauffent : c'est la résistance. Dans les supraconducteurs, une partie des électrons se synchronise en paires, comme des danseurs qui tournoient sans se heurter. Mais ces paires se cachent : on ne peut pas les voir directement, seulement les deviner grâce à leur coordination parfaite.

Le qubit supraconducteur — un minuscule anneau sans résistance — résout des problèmes plus vite que vous ne clignez des yeux. Mais coupez l'alimentation, et tout ce qu'il a calculé disparaît. Comme un cuisinier qui prépare sans noter la recette : tant qu'il est aux fourneaux, il se souvient de chaque étape, mais une heure plus tard, plus rien.