dispositif supraconducteur à interférence quantique

Dans une pièce silencieuse, sans le moindre aimant, deux électrons piégés dans du silicium ressentent quand même un léger frémissement. Il est créé par les noyaux des atomes de silicium et de germanium, qui tournent de manière chaotique, comme les aiguilles de boussoles cassées.

Un interféromètre quantique supraconducteur supernova]est un appareil qui détecte des champs magnétiques des milliards de fois plus faibles que celui qui oriente l'aiguille d'une boussole ordinaire. À l'intérieur se trouve un pont étroit où la supraconductivité est interrompue un instant.

Un pont où piétons et cyclistes circulent dans le même flux sans se gêner. C'est à peu près ainsi que fonctionnent les systèmes hybrides associant supraconducteurs et semi-conducteurs : les uns transportent le courant sans perte, les autres contrôlent ce courant.

Dans une pièce sombre, on entend à peine un murmure. Pour distinguer les mots, il faut s'approcher tout près – ou disposer de nombreux microphones sensibles.

Un interrupteur qui sait tout seul dans quel sens laisser passer le courant. C'est ainsi que fonctionne une diode Josephson : un pont supraconducteur où le courant circule volontiers dans un sens, mais bute dans l'autre. Dans cette nouvelle étude, un tel pont a été réalisé en graphène, une feuille de carbone d'un seul atome d'épaisseur.

La matière noire échappe toujours à l'observation directe, bien que sa gravité maintienne les galaxies ensemble. Une des hypothèses : elle serait constituée d'axions, des particules très légères prédites par la théorie du modèle standard.

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.

Le champ magnétique ne pénètre pas dans un supraconducteur comme un flux continu, mais sous forme de filaments fins : les vortex. En général, ils se repoussent et s'organisent en un réseau triangulaire régulier, comme des flotteurs à la surface de l'eau.

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 gaz superfluide se comporte comme un liquide sans frottement. Deux nuages de ce gaz sont reliés par un pont étroit, et un flux de particules le traverse. Cela rappelle l'effet Josephson dans les supraconducteurs, sauf qu'ici ce sont des atomes neutres au lieu d'électrons.

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.

Le champ magnétique terrestre, qui fait tourner l'aiguille d'une boussole, est puissant. Le nouveau capteur détecte des champs cent mille fois plus faibles, sans avoir besoin d'hélium liquide ni d'installations encombrantes. Tout tient sur un circuit imprimé — comme celui à l'intérieur d'un smartphone.

Un murmure dans une pièce bruyante est presque imperceptible. Un amplificateur ordinaire ajoute son propre bruit et étouffe le son faible. Un amplificateur quantique fonctionne différemment : il amplifie le signal sans presque ajouter de bruit, comme une oreille idéale. Mais même une telle oreille a ses problèmes.

L'eau dans une bouilloire bout à cent degrés, mais si on la comprime fortement, elle se comporte différemment. De la même manière, les quarks et les gluons — les briques qui composent les protons et les neutrons — changent de propriétés sous l'effet d'un champ magnétique intense.

Un transistor de puissance en carbure de silicium fonctionne sous une tension des milliers de fois supérieure à celle du secteur. Si le champ se répartit de manière inégale à l'intérieur, le composant grille. Auparavant, on ne pouvait pas voir ce champ : il est trop intense pour les capteurs ordinaires, et le composant doit rester sous tension.

Un capteur de champ magnétique ultra-sensible ordinaire ressemble à une balance qui se met à mentir si on y pose une charge trop lourde. Le signal devient déformé, et il faut ajouter une électronique complexe pour redresser les mesures. Cette électronique génère du bruit et empêche un fonctionnement rapide.

Un photon, c'est comme une voiture dans un parking à étages, où chaque étage représente sa fréquence (sa couleur). D'habitude, il reste coincé au même niveau, mais des chercheurs ont ajouté un ascenseur : un modulateur programmable qui déplace le photon d'un étage à l'autre sur commande.

Une bille magnétique flotte dans le vide au-dessus d'une plaque métallique froide. Ni fils, ni supports — seul le champ invisible du supraconducteur l'empêche de tomber. Si l'on pousse légèrement la bille, elle se met à osciller de haut en bas, et la fréquence de ces oscillations dépend de la force avec laquelle la plaque l'attire.

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 faisceau de rayons X tombe sur un morceau de supraconducteur, et celui-ci s'échauffe à peine. Cet échauffement, de l'ordre du milliardième de degré, est la seule trace laissée par la lumière. Le nouveau détecteur capte précisément cette chaleur, comme un thermomètre sensible posé sur un métal froid.

Les ordinateurs quantiques promettent de décrire précisément les molécules, mais leur principal fléau est le bruit. Chaque qubit supplémentaire et chaque opération additionnelle ajoutent des erreurs. Chimistes et physiciens ont imaginé un moyen de calculer les molécules avec moitié moins de qubits : la méthode HSQD.

Un interrupteur ordinaire clique – et le courant passe ou ne passe pas. Voici maintenant un matériau qui commute tout seul entre « conduit sans perte » et « résiste » sous l'effet d'un aimant. C'est exactement ce sandwich qu'ont assemblé des physiciens : une fine couche de plomb déposée sur un supraconducteur à base de bismuth, strontium, calcium, cuivre et oxygène.

Dans le récepteur d'un télescope pointé vers la plus ancienne lueur de l'Univers se trouve une minuscule plaque thermomètre. Elle est si sensible que la chaleur d'un seul photon peut la réchauffer sensiblement. Mais pour entendre ce murmure de chaleur, il faut un intermédiaire : un amplificateur qui n'ajoute pas son propre bruit.

Un détecteur supraconducteur de photons uniques ressemble à une corde tendue dans l'obscurité. Lorsqu'un photon unique la frappe, la corde perd momentanément sa supraconductivité — et l'on entend un clic.

Deux étoiles tournent si près l'une de l'autre que leurs couches externes fusionnent en une enveloppe commune. La matière s'écoule de l'une à l'autre, comme l'eau d'une tasse trop pleine déborde dans la tasse voisine.

Dans une pièce sombre, un minuscule diamant émet une lueur rouge lorsqu'il est éclairé par un laser vert. Cette lumière n'est pas une décoration, mais un signal : sa luminosité change si un champ magnétique est présent. Le diamant contient des défauts — des atomes d'azote avec une lacune voisine.

Les mesures précises de la force de gravité sont essentielles pour les géologues comme pour les navigateurs. Mais les gravimètres classiques sont des instruments encombrants qui mettent du temps à « se stabiliser » après chaque mesure.

Un circuit supraconducteur, c'est comme une balançoire sans frottement, possible uniquement à la température de l'hélium liquide (–273 °C). Dans ce froid, le courant électrique circule en boucle sans s'atténuer, conservant son rythme.

Le vide est trompeur. William Unruh a montré qu'un observateur en accélération perçoit le vide comme chaud.

Une chaîne d'atomes sur une puce photonique se comporte comme une rangée de pendules accrochés à une barre commune : en oscillant en sens opposés, ils transmettent à peine leur énergie à l'air et restent figés longtemps.

Selon la théorie d'Einstein, la rotation de la Terre entraîne avec elle le courbure de l'espace-temps — comme une cuillère qui remue du miel épais. Cet effet est incroyablement faible : environ un tour en des milliards d'années. Mais on peut le détecter.

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

Au Jefferson Lab, des électrons sont accélérés jusqu'à 12 GeV et percutent des protons pour leur soutirer leurs secrets. Mais les détecteurs existants ressemblent à des appareils photo à champ étroit : soit on voit beaucoup mais de façon sombre, soit on voit net mais sur une toute petite zone.