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Un petit trou noir traverse un nuage d'hydrogène et étire les atomes comme un caramel. C'est ainsi qu'apparaît un supraconducteur lorsqu'un courant persistant y est piégé : la matière dans laquelle l'électricité circule sans perte se transforme en un aimant permanent miniature.

Fini le bain glacé, place à une chemise gazeuse chaude. C'est ainsi que l'on refroidit désormais le comparateur cryogénique de courant à l'Institut national de métrologie du Japon. Auparavant, cet appareil, qui compare les courants électriques avec une précision de l'ordre du milliardième, nécessitait une immersion dans l'hélium liquide.

Les molécules dans un gaz ultrafroid ressemblent à des aimants qui s'attirent à distance, mais qui peuvent se coller irréversiblement lorsqu'elles se rapprochent. Cette adhésion détruit le gaz : les particules quittent le jeu, et l'on ne parvient pas à atteindre l'ordre quantique où toutes se comportent comme un tout.

Dans les entrailles des sub-Neptunes, ces planètes les plus nombreuses de la Galaxie mais sur lesquelles on ne peut pas se tenir, le magma silicaté et l'hydrogène se mélangent en un cocktail supercritique unique.

Un laboratoire quantique ressemble à une cuisine où le cuisinier attend une journée entière que la cuisinière refroidisse. Les qubits supraconducteurs ne fonctionnent qu'à des températures de quelques centièmes de kelvin, et chaque cycle « refroidir – mesurer – réchauffer » engloutit une journée.

À l'intérieur d'une enclume de diamant, qui comprime l'échantillon avec une force des millions de fois supérieure à la pression atmosphérique, un mince film de lanthane rencontre l'hydrogène. L'hydrogène provient de l'ammoniac-borane – une poudre qui, lorsqu'elle est chauffée, libère son hydrogène comme une éponge libère de l'eau.

Un fil ordinaire chauffe quand le courant le traverse — une partie de l'énergie est perdue. Le supraconducteur n'a pas ce défaut : l'électricité y circule sans perte, comme l'eau dans un tuyau parfaitement lisse. Le problème, c'est que la plupart des supraconducteurs fonctionnent soit à très basse température, soit sous une pression colossale — comparable à celle des profondeurs planétaires.

Les ordinateurs quantiques font des erreurs. Chaque qubit est comme une bille au bout d'un crayon : si la main tremble un peu, elle tombe. Pour éviter que les billes ne tombent, il faut quelqu'un qui remarque le tremblement et corrige à temps.

Un morceau de pellicule plus fin qu'un cheveu humain a été placé entre des enclumes de diamant, puis comprimé. La pression a grimpé : cent mille atmosphères, un demi-million, un million... Et le matériau continuait de conduire le courant sans résistance.

Un faisceau laser sait non seulement chauffer, mais aussi apaiser le mouvement. Lorsque la lumière entre dans un piège à miroirs, elle exerce une pression sur eux — et si l'on règle correctement la couleur du faisceau, cette pression se transforme en un freinage tout en douceur. C'est ainsi que l'on refroidit de minuscules oscillations mécaniques jusqu'à presque le zéro absolu.

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.

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.

La matière noire est la charpente invisible qui soutient les galaxies. Mais comment est-elle apparue ? La réponse standard : les particules de matière noire ont cessé de se heurter et se sont « figées » en la quantité que nous observons aujourd'hui. Cependant, il existe une voie plus subtile : l'UFO, ou congélation ultra-rapide.

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.

Un liquide chaud s'écoule facilement : les molécules s'agitent, se heurtent et trouvent rapidement une nouvelle place. Mais dès qu'on le refroidit, tout change. Le mouvement se fige presque, et la viscosité s'envole. La question centrale n'est pas que les particules soient paresseuses, mais de savoir où elles peuvent bien aller. Les auteurs de l'étude combinent deux idées connues.

Si l'on comprime de l'eau entre deux plaques de verre de manière à ne laisser que deux couches de molécules, elle se transforme en quelque chose d'intermédiaire entre liquide et glace. À température ambiante, les molécules dans ce piège bougent encore, mais s'organisent déjà en une sorte de réseau cristallin.

Deux feuilles blanches sont posées au soleil – l'une rugueuse, l'autre lisse. Laquelle chauffera le moins ? La rugueuse diffuse davantage la lumière, et on pourrait penser qu'elle restera plus fraîche. Mais si le revêtement est composé de nombreuses billes de verre transparentes, la logique change.

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.

Le thé chaud placé dans le congélateur ne se couvre pas immédiatement de glace. D'abord, de minuscules aiguilles de glace s'y agitent — elles apparaissent et fondent, jusqu'à ce que la température baisse suffisamment pour que la glace prenne solidement. C'est à peu près ce qui s'est passé dans l'Univers primordial lorsqu'il refroidissait et modifiait sa structure interne.

Un trou noir ressemble à une braise que l'on croyait capable de couver éternellement, mais qui devait finir par s'éteindre — s'évaporer sans laisser de trace.

Une salle bondée où les danseurs glissent sans le moindre frottement, se traversent les uns les autres sans se toucher. C'est un fluide superfluide. Dans la croûte d'une étoile à neutrons, les neutrons pourraient se comporter ainsi, mais un réseau rigide d'ions les en empêche, comme si la piste de danse était soudain hérissée de piliers rapprochés.

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.

Un cuisinier verse du sirop de sucre chaud sur une table froide, et il se fige en cristaux. C'est à peu près ainsi que les ingénieurs imaginaient la solidification des métaux : le liquide devient directement un amas de grains cristallins. Mais un gros plan vidéo a montré qu'une étape supplémentaire s'intercale entre le liquide et le solide.

Une casserole d'eau sur la cuisinière : plus le feu est vif, plus vite la glace devient de l'eau, et l'eau de la vapeur. La chaleur détruit l'ordre. Mais parfois, la nature nous joue un tour : sous l'effet de la chaleur, un liquide se fige, comme une flaque par grand froid.

Le plutonium est un métal au caractère bien trempé. L'une de ses formes se contracte lorsqu'on la refroidit, une autre gonfle. Mais à température ambiante, l'alliage se comporte étrangement : la règle indique une chose, les rayons X en montrent une autre.

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.

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.

Il faut observer un flocon de neige sans le laisser fondre ni l'abîmer. C'est à peu près le défi auquel sont confrontés les scientifiques qui veulent étudier des protéines individuelles, ces minuscules machines moléculaires du vivant.

Deux minuscules grains de poussière flottent au croisement de faisceaux laser. Chacun est maintenu par sa propre « pince » – un faisceau focalisé qui empêche la particule de tomber. À l'intérieur d'une cavité miroir, la lumière rebondit entre les parois, et ses oscillations sont couplées aux tremblements des grains.

Une casserole en aluminium ordinaire sur une cuisinière n'émet pas de molécules que l'on pourrait piéger avec de la lumière.

Une aiguille métallique descend sur un morceau de supraconducteur. Tout se passe à l'intérieur d'un réfrigérateur qui refroidit l'échantillon à 30 millièmes de degré au-dessus du zéro absolu — cent fois plus froid que l'espace interstellaire.

Dans l'hélium refroidi presque au zéro absolu, le liquide cesse de frotter contre lui-même et s'écoule sans la moindre résistance.

D'ordinaire, un laser chauffe. Pourtant, dans certains cristaux, la lumière peut emporter la chaleur — comme si une bouilloire refroidissait sous une lampe vive. Dans le diamant, ce sont les défauts qui font ce travail : des endroits où un atome d'azote remplace le carbone, avec une lacune à côté.

L'eau est le seul liquide courant qui ne se contracte pas immédiatement en refroidissant. La glace fond, et l'eau devient plus dense, mais seulement jusqu'à 4 degrés Celsius. Ensuite, en continuant à refroidir, elle se dilate à nouveau.

Une étoile à neutrons est le noyau mort d'une étoile qui a explosé, compressé à la taille d'une ville. Si une étoile ordinaire se trouve à proximité, l'étoile à neutrons aspire sa matière comme un aspirateur. Cette matière tombe à la surface et forme une croûte – une couche solide de noyaux atomiques riches en neutrons.

L'hydrogène est le champion de l'énergie par kilogramme, mais le stocker est une vraie galère. Sous forme de gaz, il occupe un volume énorme, et si on le comprime ou le refroidit pour le liquéfier, il faut des bouteilles lourdes et beaucoup d'énergie.

La glace glisse sous la lame du patin comme un savon mouillé entre les mains. Pendant un siècle, les scientifiques ont débattu de l'origine de cette glissance. Certains affirmaient qu'une fine couche d'eau recouvrait déjà la surface et servait de lubrifiant. D'autres rétorquaient que l'eau n'apparaissait qu'au moment du mouvement, générée par le frottement.

La supraconductivité est la capacité d'un matériau à conduire l'électricité sans perte. Les fils ordinaires chauffent et une partie de l'énergie se dissipe en chaleur, alors qu'un supraconducteur laisse passer le courant sans résistance.

Les matériaux quantiques sont comme des fleurs capricieuses : ils ne s'épanouissent que dans le froid. À température ambiante, ils cachent leurs propriétés inhabituelles, mais lorsqu'ils sont fortement refroidis, ils deviennent supraconducteurs ou changent de comportement magnétique.