La supraconductivitémagnétique désigne l'interaction entre la supraconductivité et le magnétisme, où les champs magnétiques ou l'ordre magnétique influencent l'état supraconducteur. Dans les supraconducteurs conventionnels, le magnétisme est destructeur : même un champ magnétique modeste détruit la supraconductivité en brisant les paires de Cooper. Cependant, dans certains supraconducteurs exotiques, le magnétisme et la supraconductivité peuvent coexister, et les fluctuations magnétiques peuvent même médier le mécanisme d'appariement. Cela est particulièrement pertinent dans les supraconducteurs à haute température, les supraconducteurs à base de fer et les systèmes à fermions lourds, où l'on pense que les corrélations magnétiques jouent un rôle clé en permettant la supraconductivité à des températures relativement élevées.
Histoire
La coexistence de la supraconductivité et du magnétisme a été observée pour la première fois dans les années 1970 dans des composés ternaires de terres rares comme ErRh₄B₄. Le cadre théorique de l'appariement médié par le magnétisme a été développé dans les années 1980, en particulier pour les supraconducteurs à fermions lourds, et a gagné en importance avec la découverte des supraconducteurs à base de fer en 2008.
Comment ça marche
Dans les supraconducteurs conventionnels, les électrons forment des paires de Cooper par échange de phonons, et les champs magnétiques alignent les spins des électrons, brisant ces paires. Dans les supraconducteurs non conventionnels, l'appariement peut être médié par des fluctuations de spin — des excitations magnétiques qui peuvent lier les électrons dans un état singulet ou triplet de spin. L'ordre magnétique peut également créer un état supraconducteur spatialement modulé, comme la phase de Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (FFLO), où les paires de Cooper portent une impulsion non nulle. De plus, dans les hétérostructures, les couches magnétiques peuvent induire la supraconductivité dans des matériaux adjacents non supraconducteurs par effet de proximité, ou contrôler la phase supraconductrice par couplage spin-orbite.
En pratique
Comprendre la supraconductivitémagnétique est essentiel pour concevoir des matériaux avec des températures critiques plus élevées, ce qui pourrait permettre la transmission d'électricité sans perte, des appareils d'IRM plus efficaces et des composants d'ordinateurs quantiques nécessitant un refroidissement moins extrême.
Anecdote
Dans certains supraconducteurs à base de fer, la température de transition supraconductrice augmente en réalité lorsqu'un champ magnétique est appliqué, un phénomène opposé au comportement conventionnel et une signature directe des mécanismes d'appariement magnétiques.
Deux danseurs sur une même scène : l'un tire son partenaire d'un côté, l'autre dans la direction opposée. Dans le cristal Cu2(OH)3Br, connu sous le nom de botallackite, les atomes de cuivre s'alignent en chaînes où les spins (moments magnétiques) des ions voisins s'orientent soit parallèlement, comme dans un ferromagnétique, soit antiparallèlement, comme dans un…
Un supraconducteur ressemble à un orchestre qui joue sans une seule fausse note, jusqu'à ce que le chef tourne le bouton d'accord. Dans cette nouvelle étude, ce bouton s'est avéré être l'histoire magnétique des contacts en nickel.
Un supraconducteur expulse le champ magnétique comme une éponge expulse l'eau. Cet effet Meissner est connu depuis près d'un siècle, mais on le calcule généralement dans un monde plat, sans gravité. Dans le champ intense d'un trou noir ou à vitesse énorme, le tableau change.
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.
Un essaim de lucioles ne se heurte presque jamais, mais change de couleur de manière synchrone en échangeant des signaux. C'est ainsi que se comportent les neutrinos dans les flux denses provenant d'étoiles en effondrement : ils se transforment collectivement d'un type à un autre, alors qu'individuellement ils interagissent très faiblement.
Un supraconducteur ressemble à une ronde électronique parfaite : les électrons se déplacent par paires sans perdre d'énergie, comme des danseurs qui ne perdent jamais le rythme. Mais ajoutez quelques impuretés magnétiques, et des intrus s'invitent dans la ronde, perturbant le mouvement synchronisé.
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.
Les mesures magnétiques ordinaires ne voient que la surface du supraconducteur, où les barrières et les flux visqueux du champ magnétique gênent. À l'intérieur, dans ce qu'on appelle l'état intermédiaire, coexistent des domaines supraconducteurs et normaux, séparés par de fines parois. Ces parois peuvent osciller, mais il était difficile de les entendre directement.
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 pastille magnétique minuscule, plus petite qu'un micron, vit un vortex – l'aimantation s'enroule comme l'eau dans un entonnoir. Au centre de cet entonnoir se trouve le cœur, qui tourne lui-même sur une petite orbite, telle une toupie qu'on aurait lancée.
Un électron dans un champ magnétique, c'est comme une toupie minuscule qui tourne et émet un faible « couinement » à sa fréquence. Entendre ce couinement directement est presque impossible : il se noie dans le bruit.
Un minuscule supraconducteur en lévitation au-dessus d'un aimant, c'est comme un bouchon à la surface d'un océan invisible. Le moindre souffle de matière noire le fait frémir. Les scientifiques ont envisagé deux types de ce « vent ».
Dans un cristal d'europium, de zinc et de phosphore, le courant se comporte comme une voiture sur une route cahoteuse. Les électrons ne courent pas librement, mais traînent derrière eux des nuages magnétiques – des polarons.
Un supraconducteur ordinaire expulse le champ magnétique, mais cet anneau, au contraire, le crée à l'intérieur de lui-même. L'anneau est fait d'un matériau Fe(Te,Se) — un composé de fer, de tellure et de sélénium qui, à très basse température, perd sa résistance électrique.
Un film semi-conducteur d'un atome d'épaisseur est comme une membrane finement tendue. La lumière le fait briller : des points lumineux (excitons) naissent puis s'éteignent rapidement. Là où la membrane est déchirée ou froissée, la lueur tremble et s'interrompt — comme une corde avec un nœud sonne faux.
Un supraconducteur ordinaire perd sa résistance lorsqu'on le refroidit, et le courant y circule sans pertes. Mais dans les films ultraminces, tout est différent : le matériau oscille entre l'état normal et l'état supraconducteur, et dans cet intervalle apparaissent d'étranges vagues de résistance.
Le cristal CeRh₂As₂ se comporte comme un interrupteur : refroidissez-le, et il devient supraconducteur ; approchez ensuite un aimant, et il bascule brusquement dans un autre état supraconducteur. Un comportement rare : la plupart des supraconducteurs n'ont qu'un seul état, mais ici il y en a deux, séparés par une frontière nette.
Un fil supraconducteur ultrafin, refroidi à presque zéro absolu, peut détecter une particule de lumière unique. Ces détecteurs sont indispensables en calcul quantique et en communication sécurisée, mais leur caractère est gâché par le désordre – des irrégularités et impuretés aléatoires qu'il…
Un nanofil ressemble à un câble minuscule : à l'intérieur, un cœur magnétique ; à l'extérieur, une gaine d'aluminium qui peut conduire le courant sans résistance. Mais ils ne cohabitent pas facilement : un champ magnétique puissant détruit la supraconductivité, comme le bruit couvre une mélodie douce.
La théorie standard de la supraconductivité, élaborée par John Bardeen et ses collègues, n'explique pas pourquoi d'excellents conducteurs comme l'or et le cuivre ne passent jamais à l'état supraconducteur.
Le cristal de RbMn6Bi5 ressemble à un immeuble de cinq étages d'atomes de manganèse, où les occupants de chaque étage forment un pentagone. À température ambiante, les moments magnétiques des atomes oscillent de manière chaotique, comme des aiguilles de boussole pendant une tempête magnétique.
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.
Dans le cristal La₂₋ₓSrₓCuO₄, pour une certaine composition, deux états coexistent : la supraconductivité, où les électrons se déplacent sans perte, et l'onde de charge, une accumulation périodique de la densité électronique. Ces états se disputent les mêmes nuages électroniques, qui ressemblent à des pétales en forme de croix.
Un champ magnétique de 8 teslas, c'est 200 fois plus fort que le champ terrestre. Sous un tel champ, la supraconductivité dans un film mince de ditellurure de palladium ne se contente pas de survivre, elle tient jusqu'à une température de 20 millikelvins, soit cent fois plus froid que l'espace…
