superfluidité

En 1934, Jean Leray a prouvé que les équations de Navier–Stokes ont toujours des solutions « au sens généralisé ». Si la solution reste lisse ou peut se briser en une singularité, il ne l'a pas su, et personne ne l'a su pendant quatre-vingt-dix ans. En 2000, l'Institut Clay a fait de la question l'un de ses sept problèmes du Millénaire.

Dans un laboratoire parisien, on a fait contourner un obstacle à de la lumière, comme l'eau contourne une pierre dans un ruisseau. Mais ici, l'eau est particulière : elle ne ressent aucun frottement.

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.

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.

Dans les profondeurs d'une sub-Neptune, où la pression atteint cent mille bars et la température quatre mille degrés, la roche se comporte comme une soupe bouillante. Les vapeurs lourdes de silicium et de magnésium s'élèvent, refroidissent et retombent en pluie de particules solides.

Un supraconducteur est un matériau dans lequel l'électricité circule sans perte, comme l'eau dans un tuyau parfaitement lisse. Mais si on le comprime légèrement, comme un ressort, ses propriétés changent. Les scientifiques voulaient depuis longtemps mesurer la quantité de chaleur absorbée par un tel matériau comprimé, mais les instruments ne rentraient pas dans le dispositif exigu.

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 tuyau d'eau : plus il est large, plus l'eau passe. Dans les contacts supraconducteurs — les jonctions Josephson (des ponts où le courant circule sans résistance) — c'est généralement pareil : plus le matériau conduit bien à l'état normal, plus le courant supraconducteur qui le traverse est grand.

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.

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.

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.

Après le Big Bang, selon la cosmologie inflationniste, l'Univers a connu une expansion rapide et une série de transitions de phase.

Imaginez un traducteur essayant de saisir le murmure de deux personnes dans une salle bruyante. C'est à peu près le défi que relèvent les physiciens lorsqu'ils veulent comprendre comment les électrons s'apparient à l'intérieur d'un supraconducteur. Si, en plus, la « salle » est comprimée par une presse géante à des pressions de centaines de milliers d'atmosphères, la tâche semble impossible.

La superfluidité — cet état dans lequel la matière s'écoule sans frottement — est longtemps restée insaisissable dans les condensats de Bose-Einstein d'excitons neutres.

Un fluide superfluide s'écoule sans frottement, comme une eau qui ne s'arrête jamais. Mais si on le fait tourner, il ne se contente pas de tourner : chaque minuscule vortex se souvient de la manière exacte dont il a été mis en rotation.

Dans des accélérateurs comme le Grand collisionneur de hadrons, on fait entrer en collision des noyaux lourds à une vitesse prodigieuse.

Dans l'image habituelle de Heisenberg, les spins, à basse température, doivent s'aligner en un motif strict. Mais certains cristaux — comme le pyrochlore — où la géométrie rend son verdict.

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.

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.

Lorsque les physiciens font circuler des électrons dans un canal ultrapur d'arséniure de gallium à des températures hélium, ils s'attendent à voir un liquide docile, presque parfait.

Imaginez : de l'hélium-3 superfluide en film mince subit un choc thermique brutal. À cet instant, tout un orchestre de vibrations collectives s'éveille — comme un coup sur un tambour invisible qui engendre un accord aux multiples sonorités.

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.

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.

Un supraconducteur ressemble à une autoroute idéale sans feux rouges : les électrons filent sans entrave. Mais dès qu'on applique une tension, le tableau change. Dans une nouvelle expérience, des physiciens ont découvert que le champ électrique pénètre dans le supraconducteur et y crée un régime mixte.

Un orchestre d'électrons bien coordonné dans un supraconducteur est facile à désaccorder. Les chocs thermiques détruisent l'ordre fragile, et la résistance revient. Pendant des décennies, les scientifiques ont cherché des moyens de renforcer cet ensemble — principalement en modifiant la composition du matériau ou en le comprimant à des pressions inimaginables.

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.

Les supraconducteurs conduisent le courant sans perte, mais exigent généralement un froid extrême. Hg1223 — un mélange de mercure, de baryum, de calcium, de cuivre et d'oxygène — enfreint la règle : il cesse de résister au courant dès –139 °C. Le secret réside dans le fait que la forte répulsion électrique entre les électrons les force à s'apparier.

Une pierre tombe dans un étang – et des cercles se propagent à la surface. Les ondes longues et les ondes courtes se déplacent à la même vitesse : c'est ainsi que se comporte le son ordinaire dans presque tous les milieux. Mais dans les liquides quantiques, tout peut être différent.

Trois flotteurs sur l'eau se balancent de manière chaotique. Mais trois atomes d'hélium refroidis presque au zéro absolu se comportent autrement, comme s'ils obéissaient à une loi de similitude invisible. Leur attraction mutuelle est si faible que les atomes forment un nuage diffus.

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 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.

L'eau ordinaire gèle comme prévu. Mais parfois, l'eau chaude se transforme en glace plus vite que l'eau froide — c'est l'effet Mpemba. Récemment, une violation similaire des règles a été observée dans l'intrication quantique — ce lien invisible entre particules découvert par Erwin Schrödinger.

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 interprète est distrait par le moindre bruit dans la salle — et une réunion d'une heure s'étire sur deux. C'est à peu près ainsi que fonctionne la mécanique quantique ordinaire : la particule évolue dans le temps, tandis que l'espace sert de scène. Mais que se passerait-il si l'on échangeait leurs rôles ?

Le son se propage dans un milieu à une certaine vitesse. Si le milieu se déplace plus vite, le son est entraîné par le flux, comme un brindille aspirée dans un tourbillon. Dans l'hélium superfluide — un liquide sans frottement — une rotation rapide engendre des vortex en entonnoir.

Un stade bondé : les supporters s'agitent dans le désordre, créant bousculades et résistance. C'est ainsi que se comportent les électrons dans un conducteur ordinaire.