gap supraconducteur

Deux électrons, éjectés de la pointe d'une aiguille métallique presque simultanément, commencent à se repousser, comme deux personnes qui se faufilent en même temps par une porte étroite. Plus ils sont proches l'un de l'autre, plus ils se gênent.

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 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.

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 film mince d'un cristal particulier, comme le disulfure de molybdène, repose sur une platine. La température est légèrement supérieure à celle à laquelle le matériau devient supraconducteur.

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.

Depuis près de quarante ans, la supraconductivité à haute température dans les cuprates reste l'une des énigmes les plus profondes de la physique de la matière condensée.

Les étoiles à neutrons sont des cornues alchimiques cosmiques : à des densités supranucléaires, les hadrons fondent en plasma de quarks et de gluons (PQG), et au cœur même, là où la pression atteint son maximum, naît un supraconducteur de couleur (SC).

Le monde quantique est plein de surprises. Dans l'oscillateur paramétrique de Kerr — un dispositif où la lumière est piégée dans un anneau et excitée par un champ externe — on a récemment observé une chose étrange : des paires de niveaux d'énergie fusionnent dans une étreinte. Les physiciens ont appelé cela le « baiser spectral » spectroscopie.

L'Univers ressemble à un gâteau à plusieurs étages, où notre étage — étoiles, planètes et êtres humains — n'est que l'un parmi tant d'autres. Dans l'étage voisin, que les physiciens appellent le secteur caché, bouillonnent des processus qui leur sont propres.

Dans certains matériaux, le courant électrique peut circuler sans la moindre perte : c'est la supraconductivité. Mais avant de devenir supraconducteur, un matériau passe souvent par un état étrange : les électrons se perçoivent déjà et forment des paires, mais ne peuvent pas encore se déplacer de concert.

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.

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.

De nombreux trous noirs sont entourés de champs magnétiques. En tournant, le trou noir entraîne avec lui la courbure de l'espace-temps, comme un volant d'inertie, et lance une usine cosmique.

Dans le cristal de nitrure de bore, le réseau atomique parfait est parfois perturbé : ici un atome manque, là il est remplacé par un atome étranger.

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.

La piste de danse est pleine de couples qui tournoient en valse. Habituellement, les partenaires se déplacent dans des directions opposées : l'un fait un pas en avant, l'autre en arrière, pour garder le rythme commun.

Dans un supraconducteur, les électrons s'associent en paires, comme des danseurs qui se tiennent par la main. Habituellement, la distance entre eux — la taille de la paire — dépend de leur vitesse et de la force de leur liaison. Mais parfois, la piste de danse disparaît presque, et il n'y a plus de place pour bouger.

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.

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 cristal de cuivre est comprimé dans une enclume de diamant. La pression augmente, et à l'intérieur du matériau se déroule une lutte entre deux états : l'un prépare les électrons à la supraconductivité, l'autre, au contraire, les empêche de s'associer. Les scientifiques ont suivi cette lutte à l'aide d'impulsions laser ultrabrèves.

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.

Dans une casserole d'eau bouillante, des bulles de vapeur naissent et éclatent, mais l'eau reste liquide. Quelque chose de similaire se produit dans un gaz atomique ultra-froid : les atomes forment constamment des paires puis se séparent à nouveau, alors que la superfluidité n'est pas encore atteinte.

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.

Dans une chaîne de pièges, comme une rangée de forts côtiers, des atomes se sont installés. À côté, une mer quantique : le condensat de Bose-Einstein (une substance à résistance nulle où les particules se déplacent comme une seule vague).

Un métal, c'est une mer d'électrons qui se déplacent presque librement, n'entrant en collision que de temps en temps. Mais dans certains matériaux, cette mer devient soudainement visqueuse et imprévisible : les électrons cessent de se comporter comme des particules indépendantes. Les physiciens appellent cet état « non liquide de Fermi », et il reste encore une énigme.

Un qubit supraconducteur ordinaire ressemble à une balançoire que le moindre coup de vent fait osciller. La moindre variation de charge électrique à proximité suffit à corrompre l'état quantique.

Un cristal d'uranium de la taille d'un grain de riz a été refroidi à un cinquantième de degré au-dessus du zéro absolu. À cette température, la chaleur n'est pas transportée de manière chaotique, mais strictement selon les règles du monde quantique.

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 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 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.

La théorie standard de la supraconductivité, élaborée par John Bardeen et ses collègues, n'explique pas pourquoi d'excellents conducteurs comme l'or et le cuivre ne passent jamais à l'état supraconducteur.

À une température de 4,3 degrés au-dessus du zéro absolu, le cristal de tellurure de palladium cesse de résister au courant électrique. Les électrons s'y apparient et se déplacent sans perte, comme une foule qui se tient par la main. Mais ce supraconducteur semble avoir non pas un, mais deux modes d'appariement différents.

Des danseurs se tiennent par la main et se déplacent en parfaite synchronie. Dans un isolant excitonique, les électrons et les trous forment des paires liées qui se condensent en un état quantique unique — comme des partenaires de danse qui ne manquent jamais un pas. Mais que se passe-t-il si l'un d'eux trébuche ?

La matière noire, cette charpente invisible du cosmos, a révélé son existence par les tourbillons des galaxies à Fritz Zwicky et Vera Rubin. De quoi est-elle faite ? C'est resté une énigme pendant un demi-siècle. Une nouvelle hypothèse dresse un tableau inhabituel.