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Un supraconducteur est un matériau qui conduit le courant sans perte, comme l'eau qui s'écoule dans un tuyau parfaitement lisse. Dans les supraconducteurs à base de cuivre, de minuscules ajouts d'oxygène agissent comme un bouton de volume : un peu plus, et le matériau devient supraconducteur ; un peu moins, et il cesse de l'être.

Le liquide de spin quantique est un état de la matière dans lequel les moments magnétiques des atomes se comportent comme un liquide : ils oscillent constamment et ne s'ordonnent pas de manière rigide, même à très basse température. L'un des modèles théoriques les plus connus d'un tel liquide a été proposé par Alexeï Kitaev.

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 ?

Dans les supraconducteurs, les électrons s'associent en paires et circulent sans résistance. Habituellement, ces paires sont réparties uniformément, comme l'eau d'un lac calme. Mais parfois, une ondulation apparaît dans le matériau — les paires se condensent et se raréfient avec un pas déterminé. Cet état est appelé supraconductivité à onde de densité de paires.

Des alvéoles remplies de « miel » électronique. À l'état normal, les électrons se déplacent de manière désordonnée, mais lors d'un fort refroidissement, ils peuvent s'associer en paires — c'est ainsi que naît la supraconductivité.

Dans certains matériaux, le courant électrique peut circuler sans la moindre perte : c'est la supraconductivité. Mais avant de devenir supraconducteur, un matériau passe souvent par un état étrange : les électrons se perçoivent déjà et forment des paires, mais ne peuvent pas encore se déplacer de concert.

Un ingénieur qui construit un pont ne peut pas renforcer une poutre sans modifier la charge sur les poutres voisines. C'est à peu près ainsi que fonctionne le développement de médicaments : la molécule doit s'insérer parfaitement dans la « poche » de la protéine cible, comme une clé dans une serrure, tout en étant sûre, stable et facile à administrer.

Un sandwich où, au lieu du pain, on trouve des couches d'oxyde de cuivre, et entre elles, une fine couche d'ions strontium. C'est le cuprate à couches infinies, la variante la plus simple de la céramique supraconductrice, imaginée il y a près de 40 ans.

Dans le cristal de nitrure de bore, le réseau atomique parfait est parfois perturbé : ici un atome manque, là il est remplacé par un atome étranger.

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.

Un pont fait de deux rangées de planches fléchit sous les pas des piétons — et chaque pas reçoit l'aide du mouvement élastique du tablier. Un principe similaire est à la base de la supraconductivité : les électrons glissent sans résistance parce que le réseau atomique s'adapte à eux.

Retenir un numéro de téléphone alors que tout le monde crie et claque des portes autour de vous est presque impossible. C'est à peu près la vie d'un bit quantique – un qubit – dans un matériau ordinaire : les noyaux des atomes voisins, comme de minuscules aimants, le tirent constamment et effacent l'information. Pour que le qubit n'oublie pas, il faut lui trouver un endroit calme.

Le diamant est le matériau naturel le plus dur, et il ne conduit généralement pas l'électricité. Mais si l'on ajoute quelques atomes étrangers dans son réseau cristallin, il peut devenir un semi-conducteur, comme le silicium dans les puces informatiques.

Un aimant sur un réfrigérateur tient parce que les minuscules flèches atomiques à l'intérieur sont alignées dans une même direction. Mais si ces flèches commencent à se disputer – certaines tirent à gauche, d'autres à droite, d'autres tournent comme des toupies – on obtient une frustration magnétique.

Un cristal de germanium avec de l'étain ressemble à une mosaïque où chaque carreau est un atome. Si l'on dispose les carreaux au hasard, la couleur de la mosaïque est une ; si on les assemble en un motif, elle est une autre.

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.

Dans les semi-conducteurs, la lumière naît de paires de charges — un électron et un trou — qui s'attirent mutuellement, comme un aimant sur un réfrigérateur. Une telle paire s'appelle un exciton. Si l'on ajoute une charge supplémentaire à la paire, on obtient un trion — un « trio » de trois particules.

Un métal, c'est comme une corde faite de nombreux brins : si on tire trop fort, elle casse. Les ingénieurs cherchent depuis longtemps à le rendre à la fois résistant et flexible. En général, les additifs qui augmentent la résistance rendent le métal fragile.

Au plus profond d'un laboratoire souterrain, un détecteur de la taille d'une pièce attend un événement qui pourrait ne se produire qu'une fois tous les cent milliards de milliards d'années.