supraconductivité en couche mince

Un film transparent d'oxyde de bismuth-tungstène repose sur un substrat et ne conduit pas le courant. Trois minutes dans un nuage de plasma d'azote suffisent pour qu'il noircisse et que sa résistance chute d'un facteur un milliard.

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.

Le four à micro-ondes réchauffe les aliments, mais au laboratoire, les micro-ondes ont fait autre chose : elles ont transformé un supraconducteur en aimant permanent. Un film d'oxyde d'yttrium-baryum-cuivre de 300 nanomètres d'épaisseur, refroidi à 80 kelvins, a réagi à un rayonnement de 5 gigahertz.

Un mince film de nitrure de zirconium repose sur un substrat d'oxyde de magnésium. L'épaisseur est de deux dixièmes de micron, comme une toile d'araignée, mais à l'intérieur bouillonne une vie quantique.

Dans un métal ordinaire, le courant circule comme une foule dans une rue droite : chaque électron est indépendant, et si l'on applique un champ magnétique, toute la foule se déplace légèrement sur le côté. Ce déplacement s'appelle l'effet Hall.

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.

Une puce électronique de la taille d'un ongle dégage autant de chaleur qu'une petite ampoule. Évacuer cette chaleur, c'est comme vider un verre de thé brûlant avec une cuillère à café : le matériau isolant autour des transistors conduit généralement mal la chaleur.

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.

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.

Une plaquette de céramique aussi fine qu'un film de savon, et pourtant un courant la traverse sans la moindre résistance. Voilà à quoi ressemble la supraconductivité obtenue dans les nickelates, ces cousins des célèbres supraconducteurs à base de cuprates.

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 potier trace un motif sur une tuile d'argile encore humide avec un scalpel bien aiguisé. Un faux mouvement, et la ligne s'étale, la tuile se fissure. C'est à peu près ainsi que les physiciens travaillent sur des couches minces du supraconducteur à haute température YBCO (un composé d'yttrium, de baryum, de cuivre et d'oxygène).

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 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.

Un cristal semblable à une pile de crêpes a été déposé sur un substrat lisse en oxyde de magnésium. On a obtenu une pellicule épaisse de quelques centaines d'atomes. Lorsqu'on y a fait passer un courant et qu'on a activé un aimant, la résistance a augmenté de près d'un quart — de 22,5 % sous un champ de 9 teslas.

Un sol en mosaïque composé de nombreuses petites tuiles orientées dans des directions différentes. On pourrait penser que tout motif tentant de traverser un tel sol se briserait et disparaîtrait. C'est ainsi que l'on considère généralement le désordre dans les cristaux : si les atomes ne sont pas alignés dans un réseau parfait, les effets quantiques subtils devraient s'effondrer.

Lorsque vous appuyez sur l'interrupteur, la lumière ne s'allume pas immédiatement : il faut du temps aux électrons dans les fils pour « se lancer » et se mettre en mouvement de concert. Dans les métaux et semi-conducteurs ordinaires, le courant monte en puissance progressivement, comme l'eau dans un tuyau quand on ouvre le robinet.

Un supraconducteur est un matériau dans lequel le courant circule sans perte, comme l'eau dans un tuyau parfaitement lisse. Mais pour que le tuyau devienne parfait, il faut le refroidir à une température très basse.

Un transistor classique dans un téléphone est fabriqué dans une chambre à vide, où les atomes se déposent couche par couche. C'est cher et long. Mais l'oxyde d'indium peut s'imprimer comme de l'encre — à partir d'une goutte de métal liquide qui, à l'air libre, se recouvre spontanément d'une fine pellicule d'oxyde. Les auteurs ont pris de l'indium, l'ont fondu et l'ont étalé sur un substrat à 250 degrés.

Un supraconducteur, c'est un peu comme une ville où le courant électrique circule sans feux rouges ni embouteillages. Mais le cristal UTe2 a une particularité : sa surface obéit à d'autres règles que son intérieur. Sur les atomes de tellure qui se trouvent en surface, les électrons ont trouvé une « porte de sortie » : des états d'énergie qui sont interdits à l'intérieur du cristal.

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.

Un tapis est bien étendu, mais si on le pousse par le bord, des plis se forment. Dans une fine couche de sulfure de tantale (1T-TaS2), les plis d'électrons — les ondes de charge — se figent, comme si le tapis était collé au sol. Pour les déplacer, il faut exercer une force. Des scientifiques ont trouvé un moyen de contrôler cette force à l'aide d'un champ électrique et d'un aimant.

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.

Habituellement, pour produire des ondes térahertz (une lumière située entre les micro-ondes et l'infrarouge), on construit un sandwich de métaux différents. Une couche sert de source, l'autre de collecteur de charges. Dans ces montages, le platine jouait le rôle de simple conducteur. Mais il s'avère qu'il peut fonctionner seul.

Une fine pellicule d'oxyde de nickel, épaisse de quelques dizaines de nanomètres, est comme une feuille de papier pliée des centaines de fois. À température ambiante, elle conduit l'électricité, mais il suffit de la refroidir légèrement pour qu'elle devienne isolante.

Une feuille de graphène d'un atome d'épaisseur, c'est comme une nappe parfaitement lisse sur laquelle roulent des billes électroniques. Placez une barrière électrique sur le chemin de ces billes — normalement, elles rebondissent.

Un métal, c'est une mer d'électrons qui se déplacent presque librement, n'entrant en collision que de temps en temps. Mais dans certains matériaux, cette mer devient soudainement visqueuse et imprévisible : les électrons cessent de se comporter comme des particules indépendantes. Les physiciens appellent cet état « non liquide de Fermi », et il reste encore une énigme.

Les atomes magnétiques dans un solide ressemblent à des aiguilles de boussole : d'habitude, en refroidissant, ils s'alignent dans une même direction — c'est ainsi qu'apparaît le magnétisme. Mais dans le composé TbInO3, les aiguilles de terbium sont disposées sur un réseau triangulaire, où il est impossible de satisfaire tous les voisins à la fois.

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.

La soudure classique ne convient pas aux circuits quantiques : lorsqu'on refroidit à la température de l'hélium liquide, le métal se fissure, et les contacts eux-mêmes introduisent du bruit.

Une feuille de papier des centaines de fois plus fine qu'un cheveu humain — c'est à peu près l'épaisseur du film d'oxyde de vanadium cultivé par les scientifiques. À l'intérieur de ce film, les électrons, ces minuscules porteurs de courant électrique, se déplacent presque sans collision.

Le son à la surface d'un cristal, c'est comme des rides sur l'eau, mais qui courent sur un solide. Ces rides s'appellent des ondes acoustiques de surface : elles se déplacent cent mille fois plus lentement que la lumière, ce qui permet de les comprimer en de très courts segments et de les loger sur une puce minuscule.

Un film mince de niobium et d'étain conduit le courant sans résistance, tant qu'on ne le rend pas vraiment trop mince. Alors, il devient soudainement isolant. Un groupe de physiciens a vérifié ce qui se passe si l'on ajoute un peu plus d'étain que ne le veut la formule.

Un ordinateur quantique ressemble à un instrument de musique : même une minuscule rayure sur une corde gâche le son. Au lieu de cordes, on trouve des résonateurs supraconducteurs, de fines pistes de nitrure de titane sur une plaque de silicium.

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 supraconducteur ordinaire et un champ magnétique, c'est comme l'eau et le feu : le champ déchire les paires d'électrons qui transportent le courant sans résistance. Mais si, au lieu d'un film continu, on prend une poussière de minuscules grains d'aluminium, chacun recouvert d'une fine couche d'oxyde, la donne change.

Un cristal, c'est comme une mosaïque parfaitement posée d'atomes. Mais faire pousser une telle mosaïque est un problème corsé : si l'ordre se dérègle un peu, apparaissent des « joints » — des frontières où les rangées d'atomes ne coïncident pas. Pour l'électronique ordinaire, c'est un détail ; pour un ordinateur quantique, c'est une catastrophe.

Un fil ordinaire chauffe quand le courant le traverse. Un supraconducteur, non. Mais presque tous les supraconducteurs connus fonctionnent soit à très basse température, soit sous une pression énorme, comme dans les entrailles des planètes. Les scientifiques cherchent depuis longtemps un matériau qui évite ces extrêmes.

Un électron dans un métal ressemble généralement à une personne à l'heure de pointe : il heurte constamment les autres et perd sa direction. Mais si l'on supprime les obstacles, il peut voler en ligne droite, comme une voiture sur une autoroute déserte la nuit. Ce mouvement est appelé balistique, du mot « baliste », une ancienne machine de jet qui envoyait une pierre sans entrave.

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.