appariement des électrons

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.

L'électron et son antipode — le positron, prédit par Paul Dirac —, lorsqu'ils se rencontrent, forment un instant le positronium : une minuscule paire qui tourne l'un autour de l'autre, comme dans un atome, mais sans noyau.

Un minuscule cristal d'atomes chargés, piégé dans une trappe, tremble de chaleur. Chaque ion oscille comme une bille au bout d'un ressort, et ces vibrations gênent l'utilisation du cristal pour des opérations quantiques précises.

Un atome de potassium solitaire pénètre dans un nuage dense d'atomes de sodium, refroidi à presque zéro absolu. Un tel milieu est appelé condensat de Bose-Einstein — toutes les particules s'y fondent en une seule onde quantique. On pourrait s'attendre à ce que l'impureté se choisisse simplement un voisin et forme une paire.

Le monde quantique est plein de surprises. Dans l'oscillateur paramétrique de Kerr — un dispositif où la lumière est piégée dans un anneau et excitée par un champ externe — on a récemment observé une chose étrange : des paires de niveaux d'énergie fusionnent dans une étreinte. Les physiciens ont appelé cela le « baiser spectral » spectroscopie.

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.

À l'aide de la spectroscopie laser — une méthode que l'on peut comparer à l'écoute de l'écho d'un cristal — les physiciens ont étudié un matériau en couches. Ils ont trouvé des zones où les électrons se déplacent librement (les poches de Fermi) et ont remarqué que chacune de ces zones se comporte différemment.

À l'intérieur du cristal EuRbFe4As4, les couches de fer et d'arsenic alternent avec des intercalaires d'europium et de rubidium. Lorsqu'on refroidit en dessous de 15 kelvins (–258 °C), les atomes d'europium alignent leurs moments magnétiques en une spirale — chaque couche successive est tournée de 90 degrés, comme les marches d'un escalier en colimaçon.

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 file de personnes qui se tiennent par la main mais regardent dans des directions opposées : certaines vers le nord, d'autres vers le sud. C'est ainsi qu'est structuré un aimant à ondes p. Les électrons y alignent leurs moments magnétiques (spins) non pas de manière aléatoire, mais selon un motif ondulatoire strict.

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.

Deux rives supraconductrices sont reliées par un pont en matériau magnétique. À l'intérieur du pont se trouve une paroi de domaine : une frontière étroite où l'aimantation pivote, comme une rangée de soldats qui change de direction.

Dans une pièce sombre, un laser infrarouge émet une impulsion, et un fragment de poudre noire de K3C60 devient, pendant une fraction de seconde, un conducteur sans résistance. La lumière frappe à une fréquence de 10 térahertz — mille fois plus rapide que le fonctionnement d'un four à micro-ondes.

Un qubit supraconducteur ordinaire ressemble à une balançoire que le moindre coup de vent fait osciller. La moindre variation de charge électrique à proximité suffit à corrompre l'état quantique.

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.

Dans les cristaux bidimensionnels, les électrons et les trous (des places vides chargées positivement) s'attirent et forment des paires — des excitons.

Deux minuscules émetteurs, chacun de la taille d'un atome, peuvent ensemble accomplir ce qu'ils ne pourraient pas faire séparément. Il s'agit de la diffusion de la lumière — lorsque la lumière frappe des particules et se disperse dans toutes les directions. En général, une paire de particules ne diffuse la lumière que légèrement plus qu'une seule.

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.

Une fine couche d'arséniure d'indium posée sur un substrat isolant se comporte comme un thermos à double paroi : les électrons qu'elle contient ne cèdent presque pas de chaleur au cristal environnant.

Un qubit supraconducteur est un minuscule circuit électrique qui se comporte comme un atome artificiel. Dans son état normal, le courant le traverse sans résistance, et les niveaux d'énergie sont disposés régulièrement, comme les marches d'un escalier. Mais si un électron unique se retrouve piégé dans le circuit, tout change.

Le cristal d'oxyde de magnésium ressemble à une rangée de soldats : les atomes sont alignés en rangées régulières, et un électron court le long de celles-ci. Mais dès que l'électron s'attarde, les atomes voisins se déplacent légèrement — comme des voisins de rangée qui tournent la tête. L'électron se retrouve dans un creux formé par les atomes déplacés et ne peut plus se mouvoir librement.

La matière noire, cette charpente invisible du cosmos, a révélé son existence par les tourbillons des galaxies à Fritz Zwicky et Vera Rubin. De quoi est-elle faite ? C'est resté une énigme pendant un demi-siècle. Une nouvelle hypothèse dresse un tableau inhabituel.

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.

Les oiseaux migrent en utilisant le champ magnétique. Dans leurs yeux se trouve la protéine cryptochrome. Elle capte la lumière du soleil, surtout la lumière bleue, et déclenche une réaction. L'absorption de la lumière conduit à la formation d'une paire de particules très sensibles au champ magnétique.

En 1976, Gerard 't Hooft a remarqué que le vide d'une théorie de jauge n'est pas aussi simple qu'il y paraît : il possède une structure topologique qui se manifeste par une susceptibilité topologique non nulle.

Une goutte d'encre dans un verre d'eau se disperse rapidement, colorant tout le liquide. C'est pareil pour les électrons dans un métal : ils se déplacent librement, comme des molécules dans un gaz. Mais si une impureté magnétique — un atome avec son propre moment magnétique — se retrouve dans ce milieu, quelque chose d'étrange se produit.