supraconductivité induite par la lumière

Une fine couche mince de nickelate de néodyme, épaisse de quinze nanomètres, repose sur un substrat de gallate de néodyme. En dessous de cent quatre-vingts kelvins, elle se comporte comme un isolant : les électrons sont enfermés dans leurs cellules atomiques et ne peuvent pas se déplacer librement.

Une minuscule capsule, semblable à une bulle de savon mais avec une coque de cristaux lumineux, se comporte comme un laser. Tant que sa paroi est intacte, la lumière circule en boucle, s'amplifie et jaillit en un faisceau étroit et brillant. Dès que la paroi éclate, le faisceau se transforme en une tache terne.

Le four à micro-ondes réchauffe les aliments, mais au laboratoire, les micro-ondes ont fait autre chose : elles ont transformé un supraconducteur en aimant permanent. Un film d'oxyde d'yttrium-baryum-cuivre de 300 nanomètres d'épaisseur, refroidi à 80 kelvins, a réagi à un rayonnement de 5 gigahertz.

Un détecteur supraconducteur fonctionne généralement comme une règle honnête : il absorbe un photon et émet une impulsion dont l'amplitude est strictement proportionnelle à l'énergie. Ce mode est pratique, mais il a une limite : un signal faible se perd facilement dans le bruit de l'amplificateur.

Une piste de danse vide, où quelques personnes apparaissent de temps en temps. Chacun se déplace à sa guise, de manière chaotique, sans aucun lien avec les autres. Mais dès qu'on met une certaine musique et qu'on refroidit un peu la salle, les danseurs se mettent soudain à s'aligner en longues chaînes et à bouger à l'unisson. C'est à peu près ce que font les électrons dans un gaz tridimensionnel raréfié.

Le champ lumineux, telle une gaufrier bien réglé, imprime dans l'espace un motif régulier de zones claires et sombres. Aux points les plus lumineux, comme dans de minuscules alvéoles, les atomes se logent – on obtient un réseau optique. C'est l'outil favori des physiciens pour étudier les comportements quantiques de la matière à l'état pur.

D'ordinaire, la lumière ne fait pas d'un isolant un conducteur – il faut de puissantes impulsions laser qui brisent la structure du matériau. Mais dans le graphène bicouche torsadé à angle magique, tout est différent.

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.

Les matériaux électroluminescents à base de molécules organiques ressemblent à un carrefour animé sans feu de signalisation. Les molécules reçoivent de l'énergie, mais au lieu de la restituer honnêtement sous forme de lumière, elles s'engagent souvent dans des impasses : elles forment des paires sombres (des exciplexes — des complexes de courte durée de vie sans émission) ou entrent en…

Un orchestre sans chef, où les musiciens s'entendent à travers un mur commun. C'est à peu près ainsi que fonctionne un nouveau type de laser : quelques atomes (les émetteurs) sont placés le long d'un guide d'onde — une fine piste pour la lumière sur une puce. La lumière de chaque atome se propage le long de cette piste et influence ses voisins.

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.

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 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 télémètre ordinaire envoie une impulsion lumineuse unique et attend son retour, comme une personne qui crie dans le vide et écoute l'écho. Mais si l'on active plusieurs sources qui brillent à l'unisson et que l'on analyse non pas l'intensité, mais le rythme des échos des flashs réfléchis, l'image devient plus nette.

Une diode classique en électronique fonctionne comme une route à sens unique : le courant ne circule que dans un seul sens. Dans les supraconducteurs, où l'électricité circule sans résistance, un tel comportement est resté longtemps difficile à obtenir — le courant est généralement symétrique.

La lumière laisse une trace, même lorsqu'elle est presque absente. Un photon isolé — un minuscule paquet d'énergie — tombe sur une plaquette de silicium et en arrache une poignée d'électrons. Le problème, c'est que cette poignée est trop petite pour être remarquée. Il faut un amplificateur.

L'ampoule ne s'allume que dans la pièce voulue. C'est à peu près le principe des médicaments photoactivables : ils ne s'« allument » que là où la lumière est dirigée, et laissent le reste du corps tranquille.

Le laser frappe une cible faite de fils fins — et en quelques dizaines de femtosecondes (milliardièmes de milliardième de seconde), il en arrache un flux de protons. Ces protons pénètrent dans un convertisseur en lithium et deutérium, où naissent des neutrons.

Un laser classique ressemble à un orchestre dont les musiciens doivent s'échauffer avant de jouer à l'unisson. Il faut d'abord pomper assez d'énergie dans les atomes pour qu'ils se « retournent » et soient prêts à émettre de la lumière – c'est ce qu'on appelle l'inversion de population. Ce n'est qu'alors que le faisceau jaillit.

Un couteau de cuisine ordinaire en niobium, à −258 °C, se met soudain à conduire le courant sans la moindre perte. C'est le principe de la supraconductivité, et on peut l'« activer » directement à la surface du métal en la bombardant avec un laser sous atmosphère d'azote.

Un fil de cuivre frappé par un laser, c'est une cuisine où le chef allume la cuisinière tout en surveillant le chronomètre. Les atomes de cuivre se mettent à danser, perdant l'ordre du réseau cristallin, et les électrons, comme des serveurs dans la salle, ressentent immédiatement le changement. Mais combien de désordre faut-il pour qu'ils le remarquent ?

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 robinet dont l'eau ne coule pas en jet mais strictement goutte à goutte — c'est ainsi que l'on peut décrire la source de photons uniques dont parlent les auteurs. Dans la lumière ordinaire, les photons volent en foule, comme l'eau d'un robinet ouvert.

Une feuille de graphène est un treillis d'atomes de carbone d'un atome d'épaisseur. On y voit les moindres impuretés, comme des poussières sur un verre de lunettes.

Un flash laser d'une durée de 50 femtosecondes, c'est comme un coup de feu qui durerait un milliardième de seconde. Pendant ce temps, la lumière ne parcourt que 15 micromètres – moins que l'épaisseur d'un cheveu humain.

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.

Un minuscule faisceau laser effleure un cristal — et, comme par magie, des étincelles quantiques isolées s'allument à l'intérieur. Ce n'est pas un tour de passe-passe, mais une nouvelle façon de créer des qubits, les cellules de travail des futurs ordinateurs quantiques.

La mémoire d'un ordinateur classique consomme constamment de l'énergie pour stocker les uns et les zéros. Les supraconducteurs, eux, conduisent le courant sans aucune perte – si on fabriquait une mémoire avec eux, elle ne consommerait presque pas d'électricité. Le problème, c'est que les supraconducteurs ne savent pas mémoriser : leur état change trop facilement.

Une feuille de graphène est un réseau d'atomes de carbone en forme de nid d'abeilles. Les électrons y filent si vite qu'on dirait qu'ils n'ont pas de masse, comme la lumière. Quand une impulsion laser puissante frappe cette feuille, les électrons reçoivent un coup de pied et commencent à accélérer.

Un supraconducteur ordinaire ne fonctionne que dans le congélateur de la nature : à des températures inférieures à moins cent degrés. Le matériau de billes de carbone K₃C₆₀ ne fait pas exception : sans froid, il résiste au courant comme une foule dans un couloir étroit.

Le vide n'est jamais vraiment immobile. Il grouille de minuscules fluctuations d'énergie, comme l'argile brute d'un sculpteur. Dans une nouvelle expérience, un mince film de matériau supraconducteur a été placé à l'intérieur d'une cavité conçue pour piéger la lumière térahertz, une forme de rayonnement invisible.

Dans un supraconducteur ordinaire, les électrons s'associent en paires immobiles — leur impulsion totale est nulle. Mais il existe une autre possibilité : les paires acquièrent une impulsion commune et se mettent en mouvement, tel un banc de poissons remontant le courant. Cet état, appelé onde de paires, est très capricieux et exige des conditions particulières.

Un film mince d'un composé de bismuth et de sélénium repose sur un substrat. Une impulsion laser d'une durée d'un millionième de milliardième de seconde le frappe. À côté, un aimant est activé, dont le champ est plus faible que celui d'un aimant de frigo.

La superfluorescence est l'expiration synchronisée de lumière d'un cristal. Des chercheurs viennent d'observer son image miroir : la superabsorption, une inspiration coordonnée.