supraconductivité induite par déformation

Sur la table repose un morceau de graphite, cultivé à partir de gaz, comme un dépôt sur la paroi d'un réacteur. En général, un tel matériau ne convient pas pour convertir la chaleur en électricité : à l'intérieur, les électrons et les trous courent dans des directions opposées et s'annihilent mutuellement.

Un supraconducteur est un matériau dans lequel l'électricité circule sans perte, comme l'eau dans un tuyau parfaitement lisse. Mais si on le comprime légèrement, comme un ressort, ses propriétés changent. Les scientifiques voulaient depuis longtemps mesurer la quantité de chaleur absorbée par un tel matériau comprimé, mais les instruments ne rentraient pas dans le dispositif exigu.

Les électriciens qui travaillent sur les hautes tensions ressemblent à des plongeurs : ils doivent voir ce qui se passe au fond de l'eau sans y descendre eux-mêmes. Pour cela, il faut un capteur placé à l'écart du courant dangereux et qui transmet l'information vers la surface.

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 tuyau d'eau : plus il est large, plus l'eau passe. Dans les contacts supraconducteurs — les jonctions Josephson (des ponts où le courant circule sans résistance) — c'est généralement pareil : plus le matériau conduit bien à l'état normal, plus le courant supraconducteur qui le traverse est grand.

Dans un cristal bidimensionnel de diséléniure de tungstène (WSe₂), la lumière crée des paires — un électron et un trou — qui restent liés. Ces paires sont appelées excitons. Parmi elles, certaines sont « sombres » : elles n'émettent presque pas, mais ce sont elles qui donnent le ton à basse température.

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.

D'ordinaire, la lumière ne fait pas d'un isolant un conducteur – il faut de puissantes impulsions laser qui brisent la structure du matériau. Mais dans le graphène bicouche torsadé à angle magique, tout est différent.

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.

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.

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.

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.

Lorsque de nombreux atomes excités sont rassemblés, ils émettent souvent de la lumière de manière coordonnée — comme une foule qui applaudit en rythme. Ce phénomène bien connu s'appelle la superradiance de Dicke. Mais les auteurs de la nouvelle étude se sont demandé : que se passe-t-il si les atomes ne sont pas identiques et que chacun ressent ses voisins ?

Un pont d'aluminium de quelques atomes d'épaisseur est le cœur de nombreux dispositifs quantiques. À travers un tel pont, le courant circule sans résistance, et on peut le contrôler par un champ magnétique.

Les physiciens tentent d'entendre un murmure dans une pièce bruyante. Ils construisent une cabine insonorisée, mais même là, leur propre respiration et les battements de leur cœur créent des interférences.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien est un spin d'électron, son minuscule moment magnétique. Pour que l'orchestre joue en harmonie, le chef doit entendre chaque musicien séparément.

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).

Frotter un peigne sur de la laine produit une étincelle. Un principe similaire est à l'œuvre dans les nanogénérateurs triboélectriques, des dispositifs qui convertissent les contacts mécaniques en électricité. Le problème, c'est que les matériaux ordinaires ne fournissent qu'une charge faible.

Le laser frappe le cristal, et celui-ci répond par des éclairs de lumière, comme une cloche qui sonne quand on la frappe. Mais si la cloche est chaude, son son tremble et s'étouffe.

Une feuille de graphène d'un atome d'épaisseur est suspendue dans l'air, comme un drap tendu. Des ondes de chaleur la parcourent — des vibrations d'atomes que les physiciens appellent phonons. On pensait auparavant que ces ondes se dissipaient rapidement en raison de fortes interactions, et que la chaleur se transmettait mal.

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.

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 cristal de titanate de baryum ressemble à une foule où chaque personne tient une flèche indicateur. À l'état normal, les flèches pointent dans des directions différentes, mais si l'on applique un champ électrique, elles se tournent toutes d'un coup dans la même direction.

Une fine feuille de graphène de quelques micromètres d'épaisseur a été placée dans un faible champ magnétique – et elle a commencé à le repousser, comme une éponge expulse l'eau quand on la presse.

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 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.

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.

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.

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.

Un film mince de niobium et d'étain conduit le courant sans résistance, tant qu'on ne le rend pas vraiment trop mince. Alors, il devient soudainement isolant. Un groupe de physiciens a vérifié ce qui se passe si l'on ajoute un peu plus d'étain que ne le veut la formule.

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 supraconducteur ordinaire et un champ magnétique, c'est comme l'eau et le feu : le champ déchire les paires d'électrons qui transportent le courant sans résistance. Mais si, au lieu d'un film continu, on prend une poussière de minuscules grains d'aluminium, chacun recouvert d'une fine couche d'oxyde, la donne change.

La lumière du soleil tombe sur un toit, et dans un film mince naissent des électrons. Ils doivent avoir le temps de courir jusqu'aux fils avant de refroidir et de perdre leur énergie.

Un métal, c'est comme une corde faite de nombreux brins : si on tire trop fort, elle casse. Les ingénieurs cherchent depuis longtemps à le rendre à la fois résistant et flexible. En général, les additifs qui augmentent la résistance rendent le métal fragile.

Dans le réseau cristallin du séléniure de fer, les atomes de fer et de sélénium alternent comme des briques dans un mur. Mais parfois, des atomes de fer supplémentaires s'infiltrent dans les interstices — tels des invités indésirables qui se faufilent entre les briques.

Les aimants de ce cristal se comportent comme des invités à une fête où chacun veut s'asseoir sur la même chaise. Personne ne peut s'installer définitivement — et de ce désordre naît un état particulier. Dans cet état, le moment de spin (ce qui fait de l'électron un minuscule aimant) parvient à parcourir 480 micromètres.

Un supraconducteur est un matériau dans lequel le courant électrique circule sans perte, comme l'eau dans un tuyau parfaitement lisse. Mais si des vortex apparaissent, le courant commence à « trébucher » sur ces minuscules tourbillons. Dans le graphène tordu selon un angle particulier, on peut créer et étudier ces vortex un par un.

Un supraconducteur ordinaire ne fonctionne que dans le congélateur de la nature : à des températures inférieures à moins cent degrés. Le matériau de billes de carbone K₃C₆₀ ne fait pas exception : sans froid, il résiste au courant comme une foule dans un couloir étroit.

Un cube de tantalate de potassium se comporte comme un diélectrique ordinaire : il ne stocke pas le champ électrique. Mais si l'on fait croître ce matériau en fine pellicule sur un substrat d'un autre cristal, tout change.