boucle supraconductrice

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.

Une échelle dont les barreaux sont de minuscules aimants. Si les aimants voisins pointent dans des directions opposées, l'échelle est « calme ». Mais si on les force à pointer dans la même direction, toute la structure s'aimante et devient « têtue ».

Le liquide de spin quantique est un état de la matière dans lequel les moments magnétiques des atomes se comportent comme un liquide : ils oscillent constamment et ne s'ordonnent pas de manière rigide, même à très basse température. L'un des modèles théoriques les plus connus d'un tel liquide a été proposé par Alexeï Kitaev.

Dans les fines couches d'un cristal de séléniure de tantale (TaSe₂) se cache une propriété qui défie la physique conventionnelle. Lorsque des atomes invités ont été ajoutés entre les couches de ce matériau, la structure a perdu son centre de symétrie — et une supraconductivité blindée est apparue à l'intérieur.

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.

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.

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.

La spintronique promet de transmettre l'information non par la charge mais par le spin, débarrassant la microélectronique de son ennemi principal : la chaleur de Joule.

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.

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.

Un minuscule aimant flotte dans un piège magnétique, telle une aiguille en apesanteur. Son axe magnétisé est comme l'aiguille obstinée d'une boussole à qui l'on interdit de tourner. Devant elle se dresse un mur invisible.

Une minuscule bille d'un quart de milligramme, suspendue dans un champ magnétique et refroidie à presque zéro absolu, oscille pendant 110 heures sans s'arrêter – c'est un record d'isolation. La perte d'énergie est si faible que l'entropie du système n'augmente presque pas, et toute influence extérieure devient perceptible.

Deux rives supraconductrices sont reliées par un pont en matériau magnétique. À l'intérieur du pont se trouve une paroi de domaine : une frontière étroite où l'aimantation pivote, comme une rangée de soldats qui change de direction.

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.

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.

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 minuscule supraconducteur en lévitation au-dessus d'un aimant, c'est comme un bouchon à la surface d'un océan invisible. Le moindre souffle de matière noire le fait frémir. Les scientifiques ont envisagé deux types de ce « vent ».

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.

Un supraconducteur ordinaire expulse le champ magnétique, mais cet anneau, au contraire, le crée à l'intérieur de lui-même. L'anneau est fait d'un matériau Fe(Te,Se) — un composé de fer, de tellure et de sélénium qui, à très basse température, perd sa résistance électrique.

Un supraconducteur ordinaire perd sa résistance lorsqu'on le refroidit, et le courant y circule sans pertes. Mais dans les films ultraminces, tout est différent : le matériau oscille entre l'état normal et l'état supraconducteur, et dans cet intervalle apparaissent d'étranges vagues de résistance.

Dans certains matériaux, le courant électrique circule sans la moindre résistance. Ce sont les supraconducteurs, et ils ne fonctionnent que par grand froid. Les oxydes de cuivre sont un cas particulier : ils conservent la supraconductivité à des températures plus élevées, mais pourquoi ?

Un supraconducteur ordinaire ressemble à une rangée de soldats marchant en couple : les électrons s'associent et leurs spins (les « toupies » internes) pointent dans des directions opposées. Un champ magnétique fait facilement basculer ces paires, détruisant la supraconductivité. Dans UTe₂, c'est différent.

Un supraconducteur, c'est un peu comme une ville où les électrons cessent de se bousculer et se mettent à avancer par paires, comme des gens qui marchent main dans la main. Dans le nickelate de néodyme et de strontium (Nd₀.₈Sr₀.₂NiO₂), ce « défilé » apparaît à environ 10 kelvins (moins 263 degrés Celsius), mais pas de manière uniforme.

Dans le matériau NaAlSi, les électrons, lorsqu'ils sont refroidis, forment une ondulation éphémère — des stries qui apparaissent et disparaissent, comme les motifs que le vent dessine sur l'eau. Ces stries s'entrelacent avec la supraconductivité, cet état où le courant circule sans résistance.

Faites passer un courant à travers un contact entre un supraconducteur et un ferromagnétique, et vous entendrez le murmure du monde quantique.