couplage magnétique-supraconductivité

Un trio de jazz joue dans la pénombre d'un club. Le pianiste mène la mélodie, le contrebassiste tient le rythme, le batteur disperse ses roulements. Si l'on n'écoute que les paires de musiciens, on peut saisir comment le pianiste s'adapte à la basse ou la basse à la batterie.

Dans une grande salle, deux diapasons reposent sur des supports pivotants. Chacun est accordé sur sa propre note, mais si l'on fait pivoter les supports selon le bon angle, les diapasons se mettent à sonner à l'unisson, échangeant leurs oscillations à travers l'air.

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 métal composé de cinq atomes différents, c'est comme une soupe où flottent des morceaux de carotte, de petits pois, de pomme de terre, d'oignon et de viande. Chaque morceau représente un élément : le chrome, le vanadium, le titane, le niobium et le tantale.

Deux danseurs sur une même scène : le triangle et la bande. Dans un gaz quantique d'atomes de dysprosium, refroidi à 62 nanokelvins, ces deux structures spatiales se sont affrontées pour la première fois dans une même expérience.

Une échelle dont les barreaux sont de minuscules aimants. Si les aimants voisins pointent dans des directions opposées, l'échelle est « calme ». Mais si on les force à pointer dans la même direction, toute la structure s'aimante et devient « têtue ».

Dans les fines couches d'un cristal de séléniure de tantale (TaSe₂) se cache une propriété qui défie la physique conventionnelle. Lorsque des atomes invités ont été ajoutés entre les couches de ce matériau, la structure a perdu son centre de symétrie — et une supraconductivité blindée est apparue à l'intérieur.

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.

Deux feuilles de séléniure de tungstène — non pas en carbone, mais en un composé de tungstène et de sélénium — sont tournées l'une par rapport à l'autre d'un angle minuscule, d'environ 5 degrés. Il en résulte un motif de moiré : un réseau périodique agrandi où les électrons se comportent tout autrement que dans un cristal ordinaire.

La spintronique promet de transmettre l'information non par la charge mais par le spin, débarrassant la microélectronique de son ennemi principal : la chaleur de Joule.

Une fine pellicule magnétique ressemble à un rang de soldats de plomb munis de minuscules aiguilles aimantées. Dans un monde plat, les secousses thermiques ne tardent pas à rompre ce rang : le moindre échauffement détruit l'ordre. C'est ce qu'énonce l'interdiction de Mermin–Wagner : en deux dimensions, une symétrie continue ne survit pas à température finie.

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.

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 gâteau en couches de plans atomiques de nickel et d'oxygène — c'est ainsi que sont faits les nickelates à double couche. Deux de ces plans sont séparés par une couche intermédiaire. Si un atome d'oxygène se loge dans cette couche, il agit comme un pont : il relie les couches et déclenche un état dans lequel les électrons se déplacent sans résistance.

Dans un morceau d'aimant ordinaire, tous les spins électroniques — ces minuscules aiguilles magnétiques — pointent dans la même direction. C'est un rang de soldats tournés vers leur commandant. Cet ordre est appelé antiferromagnétique colinéaire.

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.

La supraconductivité, c'est quand un courant électrique circule sans perte, comme l'eau dans un tuyau parfaitement lisse. Elle apparaît généralement à très basse température, mais certains matériaux la manifestent à des températures plus élevées.

Le cristal du composé d'uranium UTe2 ressemble à un gâteau en couches où les électrons circulent sans résistance. Mais si l'on observe sa surface au microscope, on voit des ondulations — comme des vagues sur l'eau après qu'on y a jeté une pierre.

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.

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.

Le cristal LBCO-0.125, à pression normale, ne conduit presque pas le courant sans perte. À l'intérieur, les électrons s'organisent en bandes avec une aimantation alternée, et ces bandes agissent comme des barrières : les paires supraconductrices se forment mais ne peuvent pas circuler librement à travers tout l'échantillon.

Le cristal Co2SeO3Cl2 ressemble à un gâteau en couches, où chaque couche est un réseau en nid d'abeille incurvé d'atomes de cobalt. Lors du refroidissement jusqu'à 25,4 K (−247,75 °C), les moments magnétiques des atomes commencent à s'aligner, comme des aiguilles de boussole, mais pas tous d'un coup : en quatre étapes, à 25,4, 16,8, 11 et 3 K.

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 supraconducteur est un matériau qui, à très basse température, conduit l'électricité sans pertes : les électrons se déplacent sans se bousculer, comme une foule avançant dans un couloir parfaitement lisse.

Un supraconducteur ordinaire ressemble à une rangée de soldats marchant en couple : les électrons s'associent et leurs spins (les « toupies » internes) pointent dans des directions opposées. Un champ magnétique fait facilement basculer ces paires, détruisant la supraconductivité. Dans UTe₂, c'est différent.

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.

Les cristaux lamellaires de cuprates ressemblent à une pile de crêpes : chaque crêpe est un plan d'atomes de cuivre et d'oxygène, et entre elles se trouvent des intercalaires d'autres éléments. Habituellement, on étudie la supraconductivité sur toute la pile, où les couches s'influencent mutuellement.

Un interrupteur ordinaire clique – et le courant passe ou ne passe pas. Voici maintenant un matériau qui commute tout seul entre « conduit sans perte » et « résiste » sous l'effet d'un aimant. C'est exactement ce sandwich qu'ont assemblé des physiciens : une fine couche de plomb déposée sur un supraconducteur à base de bismuth, strontium, calcium, cuivre et oxygène.

Dans le matériau NaAlSi, les électrons, lorsqu'ils sont refroidis, forment une ondulation éphémère — des stries qui apparaissent et disparaissent, comme les motifs que le vent dessine sur l'eau. Ces stries s'entrelacent avec la supraconductivité, cet état où le courant circule sans résistance.

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.

Dans le cristal TiSe2, les électrons se comportent comme des aiguilles de boussole qui se mettent soudainement à pointer dans la même direction. C'est ce qu'on appelle l'état nématique, par analogie avec les cristaux liquides, où les molécules s'alignent selon une direction commune, bien que le matériau reste liquide.

Faites passer un courant à travers un contact entre un supraconducteur et un ferromagnétique, et vous entendrez le murmure du monde quantique.

Frappez un gong : le son se décompose en couches — le bourdonnement grave persiste, les harmoniques aigus s'éteignent les premiers, laissant le silence derrière eux. De même, un qubit, au fil de sa vie quantique, laisse non pas un, mais trois échos de son propre passé.

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.