dôme de supraconductivité

Un supraconducteur est un matériau qui conduit le courant sans perte, comme l'eau qui s'écoule dans un tuyau parfaitement lisse. Dans les supraconducteurs à base de cuivre, de minuscules ajouts d'oxygène agissent comme un bouton de volume : un peu plus, et le matériau devient supraconducteur ; un peu moins, et il cesse de l'être.

Deux danseurs sur une même scène : le triangle et la bande. Dans un gaz quantique d'atomes de dysprosium, refroidi à 62 nanokelvins, ces deux structures spatiales se sont affrontées pour la première fois dans une même expérience.

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.

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 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.

Un supraconducteur est comme un conducteur parfait : le courant y circule sans perte. Mais pour cela, il faut le refroidir fortement. Les physiciens cherchent depuis longtemps des matériaux qui deviennent supraconducteurs à des températures plus élevées.

À basse température, de nombreux matériaux deviennent supraconducteurs : le courant circule sans résistance. Mais comment cela se produit-il si les électrons étaient d'abord piégés dans un isolant ?

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.

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.

Dans les supraconducteurs, les électrons s'associent en paires et circulent sans résistance. Habituellement, ces paires sont réparties uniformément, comme l'eau d'un lac calme. Mais parfois, une ondulation apparaît dans le matériau — les paires se condensent et se raréfient avec un pas déterminé. Cet état est appelé supraconductivité à onde de densité de paires.

Une casserole de colle très épaisse et brûlante — voilà à quoi ressemblait l'Univers primordial. Ce n'était pas de la colle ordinaire, mais une « soupe de gluons » : les particules qui transmettent l'interaction forte (les gluons) se déplaçaient librement dans l'espace.

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.

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.

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.

Baissez la lumière. Sur scène, un théâtre d'ombres où il n'y a que r marionnettistes — mais l'écran obéit aux lois de la courbure de l'espace-temps hyperbolique. Chaque geste de la main engendre un motif que les mathématiciens appellent un groupe discret d'isométries.

La supraconductivité et le champ magnétique sont des ennemis de toujours : le champ s'engouffre comme un tourbillon, déchirant la fragile paire de Cooper et détruisant l'ordre.

Imaginez un gratte-ciel assemblé non pas à partir de briques individuelles, mais d'appartements-studio entiers. C'est exactement ainsi qu'est structuré le cristal Au₆Te₁₂Se₈ : ses nœuds ne sont pas des atomes, mais des clusters superatomiques d'or et de chalcogènes qui se comportent comme des objets quantiques uniques.

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.

Dans un long couloir, une foule de personnes essaie de rester à distance les unes des autres. Dans une salle spacieuse, elles se seraient simplement écartées, mais ici les murs sont si serrés qu'il faut avancer en file indienne, en coordonnant chaque pas. C'est ainsi que se comportent les électrons dans les couches de graphène tournées l'une par rapport à l'autre d'un angle minuscule.

Dans une piscine, l'eau s'étale généralement en cercles autour d'une pierre jetée. Mais si l'on dirige le flux strictement le long du rebord, elle ne court que sur le bord. On a observé quelque chose de semblable dans des morceaux de cristal supraconducteur FeTe0.55Se0.45.

D'ordinaire, la supraconductivité est une histoire de froid. Plus la température est basse, plus il est facile pour les électrons de s'apparier et de circuler sans résistance. Mais dans cette nouvelle étude, des physiciens ont cultivé de minces films de nickelates dopés à l'europium et ont observé le tableau inverse.

Une fine couche d'oxyde d'yttrium-baryum-cuivre chauffe sous un flux de rayons infrarouges — et soudain, elle cesse de dissiper de l'énergie. C'est la supraconductivité : les électrons s'associent en paires et se déplacent comme un essaim quantique unifié.

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.

Une poêle étroite et allongée – et la fine crêpe y fige en bandes irrégulières. Pendant des décennies, les scientifiques ont observé un tableau similaire en modélisant le comportement des électrons dans les supraconducteurs – des matériaux qui conduisent le courant sans perte.

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.

Un élastique qui devient plus épais à mesure qu'on le tire. En électricité, ce comportement s'appelle la capacité négative : plus la charge s'accumule sur les armatures, plus la tension diminue. Un condensateur ordinaire fonctionne à l'inverse — la tension augmente avec la charge.

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.

Un pont fait de deux rangées de planches fléchit sous les pas des piétons — et chaque pas reçoit l'aide du mouvement élastique du tablier. Un principe similaire est à la base de la supraconductivité : les électrons glissent sans résistance parce que le réseau atomique s'adapte à eux.

Un supraconducteur ne laisse pas pénétrer le champ magnétique en son sein. Mais si le champ est intense, il finit par s'infiltrer — non pas en un flux continu, mais en filaments de vortex individuels, semblables à de petites tornades. À l'intérieur de chaque filament, la supraconductivité est détruite, et autour circule un courant qui ne s'atténue pas.

Un tissu qui s'étire uniquement dans un sens, mais pas dans l'autre. C'est à peu près ainsi qu'est conçu un matériau semi-diracique : les électrons peuvent s'y déplacer librement dans une direction, mais dans l'autre, ils restent presque immobiles.

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.

La piste de danse est remplie de gens qui bougent chacun pour soi. Soudain, une partie d'entre eux se met en couples – ils tournoient, sans presque remarquer les voisins, tandis que les autres s'alignent en chaînes.

Un bus bondé où chaque passager est un électron. Dans un supraconducteur, les passagers s'associent en paires et se déplacent de manière coordonnée, sans perte d'énergie. Mais dans les supraconducteurs à haute température, comme les cuprates, cette idylle ne fonctionne que si l'on ajoute des passagers supplémentaires.

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).

Un diapason frappé s'éteint : ses vibrations s'échappent dans l'air. Mais il existe des systèmes où l'oscillation ne s'éteint pas, même si des ondes libres abondent à proximité, prêtes à emporter l'énergie. Ces états « piégés » sont appelés par les physiciens états liés dans le continuum (BIC).

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.

L'eau dans une bouilloire, tant qu'elle bout, se divise nettement en liquide et en vapeur. Mais sous une pression énorme, la frontière disparaît : la matière passe à l'état supercritique — ni l'un ni l'autre, mais quelque chose d'intermédiaire. Les trous noirs en sont capables aussi.

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.

Dans un réseau cristallin qui évoque un panier tressé, les électrons s'associent parfois en paires et circulent sans résistance. Ce matériau — un supraconducteur à base de réseau kagomé — se comporte comme un orchestre capricieux : il suffit d'ajouter un peu de titane pour que la baguette du chef passe d'un ordre à un autre.