Les transitions de phase induites par la pression se produisent lorsqu'une pression élevée réorganise la structure atomique ou électronique d'un matériau, conduisant à de nouveaux états de la matière. Cela peut transformer des isolants en métaux, modifier l'ordre magnétique, ou même induire la supraconductivité à des températures plus élevées qu'à pression ambiante. Ce phénomène est central en physique de la matière condensée, révélant comment une même composition chimique peut présenter des propriétés radicalement différentes selon la distance entre les atomes du réseau et les interactions électroniques.
Histoire
L'étude systématique des transitions induites par la pression remonte au début du XXe siècle, avec Percy Bridgman qui a pionnier les techniques de haute pression et a reçu le prix Nobel en 1946. La découverte de la supraconductivité induite par la pression dans divers éléments et composés a suivi dans les décennies suivantes.
Comment ça marche
La pression comprime le réseau cristallin, réduisant les distances interatomiques. Cela augmente le recouvrement des orbitales et modifie l'équilibre entre l'énergie cinétique et les interactions de Coulomb. Des électrons auparavant localisés peuvent devenir itinérants, ou les moments magnétiques peuvent s'aligner différemment. Dans certains cas, le réseau comprimé renforce le couplage entre les électrons et les vibrations du réseau (phonons), ce qui est le mécanisme à l'origine de la supraconductivité conventionnelle.
En pratique
La synthèse sous haute pression est utilisée pour créer de nouveaux matériaux comme les céramiques superdures et pour étudier l'intérieur des planètes, où les pressions extrêmes déterminent l'état de la matière. Elle guide également la recherche de supraconducteurs à température ambiante.
Anecdote
L'hydrogène, normalement un gaz isolant, est prédit pour devenir un supraconducteur métallique à des pressions supérieures à 400 gigapascals — un état qui pourrait exister dans les noyaux des géantes gazeuses comme Jupiter.
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 goutte d'eau sur un film de fluoropolymère se comporte d'abord comme prévu : elle repose et s'évapore. Mais dès qu'elle rétrécit jusqu'au quart de sa taille initiale, elle décolle et parcourt en quelques fractions de seconde une distance plusieurs fois supérieure à son propre rayon.
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 paquet de cartes à jouer repose, immobile. On peut glisser un doigt sous la carte du dessus et la faire glisser — c'est une intervention brutale. On peut aussi souffler de façon que tout le paquet se déforme un instant sans que les cartes s'éparpillent. C'est à peu près ainsi que la lumière, dans la nouvelle expérience, réorganise le cristal de séléniure d'étain (SnSe).
Dans une casserole d'eau bouillante, les bulles de vapeur apparaissent puis disparaissent — une lutte similaire se joue dans les matériaux bidimensionnels. Ici, les électrons créent à la fois le magnétisme et tentent de l'éteindre.
Le cristal en couches La₃Ni₂O₇ sous pression se comporte comme un orchestre où le chef change le volume des différents groupes d'instruments. Sous compression, les sauts d'électrons entre les couches augmentent — on pourrait penser que cela renforce la supraconductivité. Mais en même temps, une partie des électrons devient trop mobile.
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.
Le cristal uranium-arsenic (UAs2) sous pression se comporte comme une maison à deux pièces. Dans une pièce, les électrons restent sur place ; dans l'autre, ils se déplacent librement. Dans des conditions normales, c'est un classique « Kondo de réseau » : des électrons lourds, presque immobiles, sur les orbitales 5f5/2, sont entourés d'une mer d'électrons de conduction rapides.
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.
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).
Un conducteur ionique ressemble à un bus bondé où les passagers (les ions) tentent de se frayer un chemin vers la sortie. On pensait auparavant que pour sortir rapidement, il fallait soit que le bus se balance doucement (réseau souple), soit que les passagers soient dans un désordre chaotique (désordre géométrique).
Une feuille de caoutchouc est comprimée des deux côtés. À première vue, une déformation ordinaire. Mais à l'intérieur, au plus profond du matériau, un ordre caché s'éveille. Ce ne sont pas simplement des plis en surface. C'est la naissance de zones particulières où les vibrations se retrouvent piégées, comme dans un piège.
Les supraconducteurs conduisent le courant sans perte, mais exigent généralement un froid extrême. Hg1223 — un mélange de mercure, de baryum, de calcium, de cuivre et d'oxygène — enfreint la règle : il cesse de résister au courant dès –139 °C. Le secret réside dans le fait que la forte répulsion électrique entre les électrons les force à s'apparier.
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.
Si l'on chauffe un clou dans un feu, il s'allonge — tout le monde le sait. Mais si l'on ne chauffe que la pointe en laissant l'autre extrémité froide, le clou ne se contente pas de s'allonger : il se courbe, car le métal chaud se dilate plus que le métal froid. C'est précisément cette flexion, mais à l'échelle atomique, que des physiciens ont transformée en électricité.
Si l'on vérifie chaque seconde où se trouve un électron, ses propriétés quantiques changent. C'est comme un enfant qui joue à cache-cache mais qu'on appelle constamment par son nom : il se fige et arrête de courir. Dans le monde des particules, une telle « interpellation » est une mesure.
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.
Le plasma cosmique n'est pas un gaz calme, mais une soupe bouillonnante de particules chargées, traversée par des champs magnétiques. Ces champs se comportent comme des élastiques tendus : parfois ils se déchirent et se reconnectent aussitôt, mais d'une manière différente.
Après le Big Bang, l'Univers bouillonnait d'une « soupe » de feu composée de particules fondamentales. En s'étendant et en refroidissant, cette soupe s'est progressivement « solidifiée » en protons et neutrons — un peu comme une cristallisation.
Le cristal Fe₃Sn₂ ressemble à un treillis ornementé où les atomes de fer occupent les sommets d'hexagones. Dans des conditions normales, leurs aiguilles magnétiques sont alignées bien droite, comme des soldats au garde-à-vous. Mais dès qu'on comprime le cristal, l'ordre se brise.
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.
À l'intérieur d'une cellule vivante, des gouttelettes flottent sans se mélanger au liquide environnant, comme l'huile dans l'eau. Ces gouttelettes ne sont pas de simples amas passifs : elles exercent activement une pression sur les membranes et les forcent à se courber.
Un tube silencieux avec une grille chauffée à l'intérieur. La tension sur la grille augmente brusquement — et le tube se met soudain à bourdonner, en s'entretenant tout seul. Ce n'est pas une panne, mais une transition vers un autre état stable, comme une bille qui, ayant franchi une colline, roule dans un creux voisin.
La supraconductivité est la capacité d'un matériau à conduire l'électricité sans perte. Les fils ordinaires chauffent et une partie de l'énergie se dissipe en chaleur, alors qu'un supraconducteur laisse passer le courant sans résistance.
Un fil souple enroulé en anneau a été enfermé dans une petite boîte remplie de liquide. Il peut soit absorber l'eau et gonfler comme une éponge, soit repousser l'humidité et se contracter en une boule serrée. Le choix entre ces états dépend de la présence d'un nœud sur le fil — et de quel nœud il s'agit.
Le cristal d'oxyde d'osmium OsO₂ ressemble à un adolescent têtu : dans des conditions normales, il se comporte comme un métal ordinaire, mais il suffit d'appuyer plus fort pour que le caractère change.
Un supraconducteur conduit le courant sans perte, comme une route parfaitement lisse sur laquelle les voitures roulent sans frottement. Mais que se passe-t-il si l'on parsème la route de cailloux et de nids-de-poule ? Des scientifiques ont décidé de le vérifier en ajoutant du désordre à un matériau supraconducteur d'un atome d'épaisseur.
Une particule erre dans un milieu où des obstacles sont disposés. Parfois, elle les pousse devant elle, comme un chasse-neige, et on pensait que c'était cette poussée qui finissait par arrêter le mouvement. Mais en trois dimensions, ce mécanisme ne fonctionne pas.
Transformer les gaz légers, comme l'hydrogène et l'azote, en métal est un vieux rêve de physicien. Dans cette nouvelle expérience, l'azote a été comprimé à 130-140 gigapascals (une pression équivalente à 14 millions de kilogrammes sur un ongle) et chauffé à 3000°C.
Ce cristal, composé de strontium, d'iode, d'oxygène et d'hydrogène, ressemble à une poudre blanche banale. Mais si on le comprime avec une force équivalente à des centaines de milliers d'atmosphères, une réorganisation interne s'opère.
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.
Un fil ordinaire chauffe quand le courant le traverse. Un supraconducteur, non. Mais presque tous les supraconducteurs connus fonctionnent soit à très basse température, soit sous une pression énorme, comme dans les entrailles des planètes. Les scientifiques cherchent depuis longtemps un matériau qui évite ces extrêmes.
Si l'on jette une pierre dans un étang, des cercles se propagent à la surface. Dans un minuscule cristal magnétique, il y a aussi des ondes — mais ce n'est pas l'eau qui oscille, c'est la direction de l'aimantation. Ces ondes sont appelées ondes de spin. Elles parcourent le cristal comme des rides à la surface et peuvent transporter de l'information.
Le cristal Ca2RuO4 ressemble à une pile de fines feuilles. À l'intérieur de chaque feuille, les spins des électrons sont alignés dans un ordre strict, comme des soldats au garde-à-vous. Entre les feuilles, la liaison est faible, et son signe peut être inversé en tirant légèrement sur les côtés du cristal.
Dans un atelier de joaillerie, on ne mélange pas l'or avec le ruthénium : l'un est mou et brillant, l'autre réfractaire et fragile. Mais à l'échelle nanométrique, ces métaux se fondent en un alliage unique qui, lorsqu'on le chauffe, commence à se séparer, comme l'huile et l'eau dans un bouillon qui refroidit.
Une minuscule particule d'oxyde de vanadium se comporte comme une fenêtre à transparence réglable : dans un état, elle laisse passer la lumière infrarouge, dans l'autre, elle commence à l'absorber.
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 cristal supraconducteur est comprimé dans une petite cellule — comme si on le serrait dans un étau, mais avec de l'eau pour que la pression soit répartie uniformément. Une pression allant jusqu'à 1,08 GPa (soit environ cent fois plus que dans un pneu de voiture) ne modifie presque pas la température à laquelle le matériau perd sa résistance.
