onde de densité de paires

À première vue, une ville faite de quartiers paraît ordonnée, mais son rythme n'est pas donné par les rues elles-mêmes : il vient des maisons qui les bordent. Dans les cuprates, ces oxydes de cuivre en couches, on observait depuis longtemps une mystérieuse périodicité de huit mailles élémentaires (8a0), comme si les rues s'étaient alignées sur un pas de 8.

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.

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.

Une molécule polaire ressemble à un minuscule haltère avec des charges différentes à ses extrémités. En général, ces particules se collent ou se dispersent rapidement lors d'une rencontre — les forces électriques sont trop fortes. Mais les auteurs de l'étude ont trouvé un moyen de transformer cette agressivité en un jeu contrôlé.

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.

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.

Une cavité micro-onde ordinaire ressemble à une boîte à musique : elle ne répond qu'à des fréquences bien précises — ses propres notes. Mais que se passerait-il si on la faisait sonner autrement ? Des scientifiques ont changé les règles du jeu en rendant les parois « unidirectionnelles ». À l'intérieur d'une telle cavité, l'onde ne peut courir que vers l'avant, sans se réfléchir en arrière.

Imaginez un gratte-ciel assemblé non pas à partir de briques individuelles, mais d'appartements-studio entiers. C'est exactement ainsi qu'est structuré le cristal Au₆Te₁₂Se₈ : ses nœuds ne sont pas des atomes, mais des clusters superatomiques d'or et de chalcogènes qui se comportent comme des objets quantiques uniques.

Les soufflets de forge attisent le feu en expulsant brusquement l'air. Dans l'espace, le rôle de ces soufflets est joué par l'onde de choc d'une supernova — concept introduit par Fritz Zwicky : elle rattrape une bulle géante de particules chargées et de champs magnétiques formée autour d'une…

Une pierre tombe dans un étang – et des cercles se propagent à la surface. Les ondes longues et les ondes courtes se déplacent à la même vitesse : c'est ainsi que se comporte le son ordinaire dans presque tous les milieux. Mais dans les liquides quantiques, tout peut être différent.

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.

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.

Un supraconducteur conduit le courant sans résistance, comme l'eau qui coule dans un tuyau sans frottement. Le secret réside dans les paires d'électrons : deux électrons s'unissent en une seule entité, bien qu'ils se repoussent habituellement. Dans un supraconducteur ordinaire, les spins des électrons d'une paire pointent dans des directions opposées — c'est l'état singulet.

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.

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.

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.

Un cristal ordinaire, c'est comme un immeuble : les électrons y circulent dans des couloirs et des escaliers communs, s'influençant mutuellement à travers les murs. Maintenant, enlevons tous les murs, ne laissant qu'une seule rangée d'appartements.

La piste de danse est remplie de gens qui bougent chacun pour soi. Soudain, une partie d'entre eux se met en couples – ils tournoient, sans presque remarquer les voisins, tandis que les autres s'alignent en chaînes.

Un bus bondé où chaque passager est un électron. Dans un supraconducteur, les passagers s'associent en paires et se déplacent de manière coordonnée, sans perte d'énergie. Mais dans les supraconducteurs à haute température, comme les cuprates, cette idylle ne fonctionne que si l'on ajoute des passagers supplémentaires.

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.

Un fin fil du nouveau matériau conduit l'électricité sans perte lorsqu'on le refroidit à trois degrés au-dessus du zéro absolu. C'est comme de l'eau qui s'écoule dans un tuyau sans rencontrer de frottement contre les parois.

Dans un cristal, les électrons se comportent parfois comme une foule dans un stade qui crée une « vague » : des zones de plus forte densité succèdent à des zones presque vides. Cette onde bloque la libre circulation des charges — dans des conditions normales, le matériau n'est pas supraconducteur. Mais il suffit d'appliquer une pression pour que l'onde disparaisse et que les électrons se déplacent sans perte.

Une feuille de graphène d'un atome d'épaisseur est tordue sous un petit angle, et elle commence à se comporter comme un gâteau en couches où les couches sont légèrement tournées les unes par rapport aux autres. À un certain angle de rotation, ce matériau devient supraconducteur : les électrons commencent à se déplacer par paires, comme des danseurs de valse, sans perdre d'énergie.

Un cristal ressemble à une ville où les maisons sont alignées en rangées bien droites. Mais si l'on étire légèrement le sol sous la ville, les maisons peuvent s'incliner — et l'inclinaison se propage comme une vague de quartier en quartier.

Dans un cristal supraconducteur, les électrons s'alignent parfois en ondes de charge – comme des rides sur l'eau, mais faites de particules elles-mêmes. Certaines ondes s'étendent loin, d'autres ne vivent que sur de courtes distances. Des scientifiques ont pris le matériau YBa$$_2$$Cu$$_3$$O$$_{6.67}$$ et l'ont frappé avec de courtes impulsions de rayons X pour observer les deux types d'ondes.

La surface du cristal du composé d'uranium UTe2 ressemble à une mer figée : à certains endroits, les électrons se déplacent librement, à d'autres, ils restent piégés près des atomes. Un microscope à effet tunnel (un instrument qui sonde la surface avec une aiguille extrêmement fine et détecte des électrons individuels) a révélé que ce paysage n'est pas dû au hasard.

Un cristal en couches refroidi évoque une pile de feuilles minces entre lesquelles circulent des électrons. À une température d'environ 17 K, de minuscules régions apparaissent où les électrons s'organisent en une onde, comme une ride à la surface de l'eau qui se figerait sur place. Ces régions sont appelées « flaques de charge » et on pensait jusqu'ici qu'elles étaient immobiles.

Le son à la surface d'un cristal, c'est comme des rides sur l'eau, mais qui courent sur un solide. Ces rides s'appellent des ondes acoustiques de surface : elles se déplacent cent mille fois plus lentement que la lumière, ce qui permet de les comprimer en de très courts segments et de les loger sur une puce minuscule.

Dans deux pièces miroir, placées perpendiculairement, vit un nuage d'atomes. Chaque atome est comme un chanteur dans un chœur : seul, il peut se taire, mais quand ses voisins commencent à chanter, il reprend.

Le matériau en couches (SnS)1.15(TaS2) ressemble à une pile de feuilles de papier : les feuilles conduisent le courant, et entre elles se trouvent des intercalaires qui empêchent les couches de coller ensemble. À pression ambiante, ce matériau conduit le courant sans résistance, c'est-à-dire qu'il est supraconducteur.

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.

Dans un milieu fortement désordonné, les particules quantiques se comportent comme des danseurs exécutant des pas en parfaite synchronie : chacun connaît son mouvement et évite les collisions.

Un corps supersolide, c'est de la glace qui coule. Comme un étang pris par une croûte, mais avec des profondeurs liquides sans frottement. D'habitude, on fabrique cette croûte en modifiant les propriétés du liquide dans tout son volume.

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.