rigidité superfluide

Une fine couche d'arséniure d'indium est cachée sous un film supraconducteur, comme une voix sous le bruit d'une foule. Dans un tel hybride, le courant suit le chemin de moindre résistance et circule presque entièrement dans le métal, de sorte que le semi-conducteur reste inaudible pour les instruments ordinaires.

Au cœur d'une étoile à neutrons, où la matière est comprimée à la densité du noyau atomique, les neutrons forment un liquide superfluide et les protons un supraconducteur. Un vortex de neutrons est un vortex quantifié dans le superfluide, semblable à un minuscule tourbillon qui ne peut pas s'arrêter.

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.

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.

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.

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 ?

De nombreux matériaux se comportent comme une glace capricieuse : sous une certaine pression, ils fondent ; sous une autre, ils durcissent. Les supraconducteurs de la famille des cuprates ne font pas exception. Leur capacité à conduire le courant sans perte dépend de la compression du réseau cristallin.

Goutte à goutte du robinet — ou jet régulier sans une seule éclaboussure. C'est à peu près ainsi que se présentent les deux régimes de courant dans un contact supraconducteur. Seulement, au lieu de l'eau, ce sont des paires de Cooper — des électrons liés qui se déplacent sans résistance.

Un gâteau en couches où chaque étage conduit l'électricité à sa manière : c'est ainsi qu'est structuré le cristal La3Ni2O7, un composé de nickel, de lanthane et d'oxygène. Le courant circule différemment le long des couches et à travers elles.

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.

Le graphène, ce cristal de carbone bidimensionnel, a longtemps fait rêver les physiciens d'une supraconductivité à haute température. Ses électrons obéissent à l'équation relativiste de Paul Dirac, filent à une vitesse prodigieuse, presque sans se soucier les uns des autres.

Dans le cristal CsV3Sb5-xSnx, qui devient supraconducteur à basse température, le courant ne circule pas comme un flux continu mais le long de chemins étroits et sinueux. Pour les visualiser, on a utilisé un microscope à balayage équipé d'un capteur magnétique sensible : il détecte les moindres courants, comme un sondeur qui sonderait le fond.

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.

Les électrons dans un conducteur ressemblent à une foule désordonnée : en se heurtant, ils perdent de l'énergie, et une résistance apparaît. Dans un supraconducteur, en revanche, ils se déplacent de manière coordonnée, comme des couples dans une danse bien réglée, sans se gêner. Cet état a une entropie réduite — c'est-à-dire un désordre moindre.

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 supraconducteur conduit le courant sans résistance, comme l'eau qui coule dans un tuyau sans frottement. Le secret réside dans les paires d'électrons : deux électrons s'unissent en une seule entité, bien qu'ils se repoussent habituellement. Dans un supraconducteur ordinaire, les spins des électrons d'une paire pointent dans des directions opposées — c'est l'état singulet.

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 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.

Dans les métaux que nous connaissons, comme le cuivre, les électrons se déplacent presque indépendamment — comme des voitures sur une autoroute dégagée. La résistance provient de collisions rares, et on peut la décrire par des formules simples.

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.

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 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.

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.

Un fin fil du nouveau matériau conduit l'électricité sans perte lorsqu'on le refroidit à trois degrés au-dessus du zéro absolu. C'est comme de l'eau qui s'écoule dans un tuyau sans rencontrer de frottement contre les parois.

Un liquide sans frottement qui coule éternellement, c'est la superfluidité. L'hélium-3 ne l'acquiert qu'à des millièmes de degré au-dessus du zéro absolu. La théorie de cet état a été créée par Lev Landau et Richard Feynman.

Une fine feuille de graphène de quelques micromètres d'épaisseur a été placée dans un faible champ magnétique – et elle a commencé à le repousser, comme une éponge expulse l'eau quand on la presse.

Une feuille de graphène d'un atome d'épaisseur est tordue sous un petit angle, et elle commence à se comporter comme un gâteau en couches où les couches sont légèrement tournées les unes par rapport aux autres. À un certain angle de rotation, ce matériau devient supraconducteur : les électrons commencent à se déplacer par paires, comme des danseurs de valse, sans perdre d'énergie.

Un supraconducteur est un matériau qui, lorsqu'il est fortement refroidi, conduit le courant sans pertes, comme l'eau s'écoule dans un tuyau parfaitement lisse. Mais si on le frappe avec un bref éclair de lumière, il perd rapidement cette propriété.

Un fil souple enroulé en anneau a été enfermé dans une petite boîte remplie de liquide. Il peut soit absorber l'eau et gonfler comme une éponge, soit repousser l'humidité et se contracter en une boule serrée. Le choix entre ces états dépend de la présence d'un nœud sur le fil — et de quel nœud il s'agit.

Un supraconducteur conduit le courant sans perte, comme une route parfaitement lisse sur laquelle les voitures roulent sans frottement. Mais que se passe-t-il si l'on parsème la route de cailloux et de nids-de-poule ? Des scientifiques ont décidé de le vérifier en ajoutant du désordre à un matériau supraconducteur d'un atome d'épaisseur.

L'effet Hall quantique a longtemps été soupçonné de superfluidité — la capacité de s'écouler sans frottement. Imaginez un chef qui suit une recette : pour chaque unité de flux magnétique, il doit ajouter exactement un certain nombre d'électrons.

L'hélium liquide, à des températures extrêmement basses, s'écoule sans frottement, telle une lubrification parfaite. Des tourbillons y naissent, semblables à ceux de l'eau ordinaire, mais leur vitesse de rotation ne change que par paliers stricts, comme sur un tourne-disque : seulement 33, 45 ou 78 tours.

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.

Le matériau en couches (SnS)1.15(TaS2) ressemble à une pile de feuilles de papier : les feuilles conduisent le courant, et entre elles se trouvent des intercalaires qui empêchent les couches de coller ensemble. À pression ambiante, ce matériau conduit le courant sans résistance, c'est-à-dire qu'il est supraconducteur.

Un conducteur ordinaire laisse passer le courant aussi bien dans un sens que dans l'autre, comme une porte qui s'ouvre vers l'intérieur comme vers l'extérieur. Une diode, c'est plutôt une porte avec un ferme-porte : elle s'ouvre facilement d'un côté, mais bute de l'autre.

Un fluide superfluide s'écoule sans frottement, comme l'eau dans un tuyau parfaitement lisse, mais dès qu'il rencontre un obstacle, le tableau change. Dans cette nouvelle étude, on a examiné comment un flux superfluide contourne des parois rectangulaires et des puits aux angles vifs.

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.

Dans un métal épais, les électrons ressemblent à un orchestre désaccordé : chaque instrument joue pour soi, et le son d'ensemble n'est que bruit. Mais étalez le métal en une pellicule de quelques atomes, et voilà que les électrons se mettent soudain à « jouer » en harmonie, conduisant le courant sans fausse note.

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.