nickel

Un petit trou noir traverse un nuage d'hydrogène et étire les atomes comme un caramel. C'est ainsi qu'apparaît un supraconducteur lorsqu'un courant persistant y est piégé : la matière dans laquelle l'électricité circule sans perte se transforme en un aimant permanent miniature.

Les anciennes cartes au trésor étaient dessinées à partir de rumeurs : quelqu'un avait trouvé de l'or près d'une rivière, quelqu'un d'autre dans les montagnes, et chacun creusait à son propre endroit.

Dans une fine couche de cristal liquide, les molécules sont généralement disposées comme des allumettes dans une boîte : alignées dans une même direction, mais de manière désordonnée — certaines pointent vers le haut, d'autres vers le bas. Pour que toutes les allumettes pointent dans le même sens, il faut une architecture moléculaire particulière.

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.

Dans un métal ordinaire, le courant circule comme une foule dans une rue droite : chaque électron est indépendant, et si l'on applique un champ magnétique, toute la foule se déplace légèrement sur le côté. Ce déplacement s'appelle l'effet Hall.

Un minuscule sandwich d'oxydes, cultivé couche par couche, devient parfaitement conducteur à environ moins 200 degrés Celsius. Ce n'est pas un tour de magie, mais un nouveau chapitre dans la recherche de supraconducteurs à haute température.

Un morceau de pellicule plus fin qu'un cheveu humain a été placé entre des enclumes de diamant, puis comprimé. La pression a grimpé : cent mille atmosphères, un demi-million, un million... Et le matériau continuait de conduire le courant sans résistance.

De nombreux matériaux se comportent comme une glace capricieuse : sous une certaine pression, ils fondent ; sous une autre, ils durcissent. Les supraconducteurs de la famille des cuprates ne font pas exception. Leur capacité à conduire le courant sans perte dépend de la compression du réseau cristallin.

Une plaquette de céramique aussi fine qu'un film de savon, et pourtant un courant la traverse sans la moindre résistance. Voilà à quoi ressemble la supraconductivité obtenue dans les nickelates, ces cousins des célèbres supraconducteurs à base de cuprates.

Le courant sans pertes — le rêve de l'énergie. Certains matériaux deviennent supraconducteurs, mais généralement seulement à des températures extrêmement basses. Récemment, dans la famille des nickelates — des composés à base de nickel — on a découvert des candidats qui fonctionnent à des températures plus élevées.

Un gâteau en couches où chaque étage conduit l'électricité à sa manière : c'est ainsi qu'est structuré le cristal La3Ni2O7, un composé de nickel, de lanthane et d'oxygène. Le courant circule différemment le long des couches et à travers elles.

On refroidit un morceau de métal à moins deux cents degrés, et le courant électrique se met à le traverser sans la moindre friction, comme si l'eau dans un tuyau coulait sans toucher les parois. Ce comportement s'appelle la supraconductivité.

Certains cristaux se comportent comme un interrupteur : un léger changement de température ou de pression, et les voilà qui passent de conducteur à isolant. C'est ce qu'on appelle la transition métal-isolant (un changement de la capacité à conduire le courant).

La famille des nickelates est constituée de cristaux en couches, semblables à une pile de crêpes : les couches de nickel et d'oxygène alternent avec des intercalaires de lanthane. Il y a deux ans, on y a découvert la supraconductivité — la capacité de conduire le courant sans résistance lorsqu'ils sont refroidis.

D'ordinaire, la supraconductivité est une histoire de froid. Plus la température est basse, plus il est facile pour les électrons de s'apparier et de circuler sans résistance. Mais dans cette nouvelle étude, des physiciens ont cultivé de minces films de nickelates dopés à l'europium et ont observé le tableau inverse.

Dans la boue trouble, entre deux électrodes, s'alignent de longues chaînes de bactéries, fines comme un câble microscopique. Chaque filament conduit le courant sur un centimètre entier, un véritable marathon pour un microbe.

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.

Les électrons dans un conducteur ressemblent à une foule désordonnée : en se heurtant, ils perdent de l'énergie, et une résistance apparaît. Dans un supraconducteur, en revanche, ils se déplacent de manière coordonnée, comme des couples dans une danse bien réglée, sans se gêner. Cet état a une entropie réduite — c'est-à-dire un désordre moindre.

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.

Un gaz brûlant se dépose sur un substrat, construisant couche après couche un film transparent. Mais au lieu d'un miroir parfait, la surface se couvre parfois de minuscules bosses — comme des excroissances de glace sur une vitre par grand froid. On essaie généralement de les éliminer, car elles gênent la fabrication de pièces planes.

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.

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.

Un stade bondé : les supporters s'agitent dans le désordre, créant bousculades et résistance. C'est ainsi que se comportent les électrons dans un conducteur ordinaire.

Une barre métallique chauffée devient soudainement rigide et perd ou gagne des propriétés magnétiques. Dans les alliages à base de nickel et de manganèse, ces transformations ne se produisent pas progressivement mais par sauts : les atomes se réorganisent dans un nouvel ordre et le matériau change de comportement.

Le cristal La3Ni2O7 ressemble à un gâteau en couches, où la garniture d'atomes de nickel et d'oxygène alterne avec des couches de lanthane.

Si l'on change non pas la composition mais seulement la disposition des atomes, on peut faire en sorte qu'un même matériau conduise le courant ou absorbe la lumière différemment. C'est exactement ce que les auteurs de l'étude ont fait avec des oxydes de nickel et de cobalt.

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 les métaux que nous connaissons, comme le cuivre, les électrons se déplacent presque indépendamment — comme des voitures sur une autoroute dégagée. La résistance provient de collisions rares, et on peut la décrire par des formules simples.

Un supraconducteur ne laisse pas pénétrer le champ magnétique en son sein. Mais si le champ est intense, il finit par s'infiltrer — non pas en un flux continu, mais en filaments de vortex individuels, semblables à de petites tornades. À l'intérieur de chaque filament, la supraconductivité est détruite, et autour circule un courant qui ne s'atténue pas.

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 supraconducteur est un matériau qui, lorsqu'il est fortement refroidi, perd sa résistance électrique : le courant le traverse sans perte. Des scientifiques ont pris un cristal stratifié de PdTe2, semblable à une pile de feuilles de papier, et l'ont refroidi à une température inférieure à 1,8 kelvin (soit environ -271°C).

Un supraconducteur est un matériau dans lequel le courant circule sans perte, comme l'eau dans un tuyau parfaitement lisse. Mais pour que le tuyau devienne parfait, il faut le refroidir à une température très basse.

Au cœur des supraconducteurs à base de cuivre — ces matériaux qui conduisent le courant sans perte à des températures étonnamment élevées — se cache une phase invisible. Elle se comporte comme un métal ordinaire, mais elle est indétectable dans les mesures standard.

L'aiguille d'une boussole tourne lentement, mais à l'intérieur de certains matériaux, de minuscules moments magnétiques peuvent s'orienter en des temps difficiles à imaginer. Une équipe de physiciens a calculé comment les faire changer de direction en un millionième de milliardième de seconde. C'est plus rapide qu'un clignement d'œil.

Dans une molécule semblable à la chlorophylle et construite à partir de carbone, un atome métallique en son centre agit comme un interrupteur. En le déplaçant de quelques fractions de nanomètre, on peut faire briller la molécule, l'éteindre ou amplifier sa luminosité des centaines de fois.

Un alliage de palladium et de tellure, auquel on a ajouté un peu d'or, se comporte comme un fil qui perd sa résistance lorsqu'on le refroidit.

Le niobium est un métal qui, lorsqu'il est refroidi à quelques degrés au-dessus du zéro absolu, conduit le courant sans résistance. Dans les laboratoires, on le dépose en fines pistes sur un substrat, comme on étale de la crème sur un gâteau.

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 morceau de tellurure d'argent-antimoine spectroscopie]ressemble à une éponge : il absorbe facilement la chaleur et la transforme en électricité. Ces matériaux sont appelés thermodlectriques, et ils fonctionnent déjà dans les sondes spatiales et les réfrigérateurs de voiture.