supraconductivité topologique

Dans un supraconducteur, où les électrons se déplacent par paires sans résistance, des ondes particulières peuvent courir le long des bords — comme des ondulations le long de la lisière d'un tapis. Le nombre de ces ondes est une caractéristique importante du matériau, mais il est difficile de le mesurer directement.

Le graphène — une feuille de carbone d'un atome d'épaisseur — sait changer ses propriétés magnétiques comme l'eau change de forme : tantôt elle coule, tantôt elle se fige en glace. Dans ces nouveaux travaux, des physiciens ont pour la première fois observé l'intérieur de ce processus à l'aide d'un capteur de la taille d'une pointe d'aiguille.

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.

Dans un cristal, les électrons ne sont pas répartis au hasard. Leurs ondes obéissent à la symétrie du réseau — comme les rides sur l'eau prennent la forme de l'anneau qu'on y a jeté.

Une mosaïque de carrés et de triangles recouvre le sol sans laisser d'espace, mais ne forme pas un motif simple qui se répète. Un tel motif est un quasi-cristal, un solide où les atomes sont disposés non pas périodiquement, mais selon un motif composé de plusieurs ondes de longueurs différentes.

Deux feuilles de séléniure de tungstène — non pas en carbone, mais en un composé de tungstène et de sélénium — sont tournées l'une par rapport à l'autre d'un angle minuscule, d'environ 5 degrés. Il en résulte un motif de moiré : un réseau périodique agrandi où les électrons se comportent tout autrement que dans un cristal ordinaire.

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

Un supraconducteur ne fait généralement pas bon ménage avec un aimant : un champ intense détruit l'état dans lequel le courant circule sans résistance. Mais dans les couches minces de carbone, c'est différent.

Construire un ordinateur quantique capable de résoudre des problèmes inaccessibles aux machines classiques exige des qubits fiables.

Une fine pellicule magnétique ressemble à un rang de soldats de plomb munis de minuscules aiguilles aimantées. Dans un monde plat, les secousses thermiques ne tardent pas à rompre ce rang : le moindre échauffement détruit l'ordre. C'est ce qu'énonce l'interdiction de Mermin–Wagner : en deux dimensions, une symétrie continue ne survit pas à température finie.

Un nanofil supraconducteur topologique est comme un pont aux extrémités duquel veillent deux gardiens inséparables : les modes de Majorana. Ces quasi-particules exotiques, prédites dès les années 1930, promettent de devenir le fondement d'un ordinateur quantique insensible aux erreurs.

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 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.

Vous cherchez une pièce silencieuse pour une conversation importante. Vous entrez dans une salle et vous entendez le silence. Mais en y regardant de plus près, vous découvrez que dans un coin, la ventilation est simplement cassée, et dans un autre, il y a un trou dans le sol qui absorbe le son.

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 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 ?

Un cristal, c'est comme un régiment en parade : chaque atome à sa place, et les électrons y défilent en ondes régulières. Un matériau amorphe, c'est une foule dans une gare : aucun ordre, juste une cohue permanente. Dans une telle foule, un électron se retrouve vite coincé, comme une personne qui tente de traverser une masse compacte de gens.

Deux feuilles de semi-conducteur aussi fines que du papier sont superposées et légèrement tournées — de trois à quatre degrés environ. Les réseaux atomiques ne coïncident pas, et un motif de grande taille apparaît — un moiré, semblable aux ondulations produites par deux planches à laver décalées d'un petit angle.

Jetez une dizaine de pièces sur une table. Le nombre de combinaisons de piles et de faces dépasse à peine le millier. Pour deux dizaines de pièces, c'est déjà un million. Le nombre croît comme 2 puissance le nombre de pièces, et c'est rapide. Mais les systèmes quantiques sont bien plus riches.

Une file de personnes qui se tiennent par la main mais regardent dans des directions opposées : certaines vers le nord, d'autres vers le sud. C'est ainsi qu'est structuré un aimant à ondes p. Les électrons y alignent leurs moments magnétiques (spins) non pas de manière aléatoire, mais selon un motif ondulatoire strict.

Une goutte d'encre tombe dans un verre d'eau — et une minute plus tard, on ne peut plus dire où elle est tombée. Dans le monde quantique, c'est encore plus dramatique : l'information sur un événement local se disperse dans tout le système si rapidement que tout capteur ponctuel cesse bientôt de sentir quoi que ce soit.

Des couches de matériau mince, tournées l'une par rapport à l'autre, évoquent des grilles superposées. Aux intersections des lignes apparaît un nouveau motif : le moiré. Dans ce motif, les électrons se déplacent différemment que dans un cristal ordinaire et peuvent former des états inattendus.

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.

Parmi les aimants, il existe de discrets maîtres de la métamorphose. Un aimant ordinaire attire les trombones et possède deux pôles – nord et sud. Mais il existe des matériaux qui, à l'intérieur, sont organisés comme un échiquier magnétique : leurs atomes sont alignés selon un ordre strict, mais à l'extérieur, le matériau se comporte de manière neutre, comme s'il n'y avait pas d'aimant du tout.

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 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.

Deux voitures identiques sortent de la même chaîne de montage. Carrosserie, roues, volant : tout est identique. Seule différence : l'une est équipée d'un moteur à essence classique, l'autre d'un moteur hybride que l'on peut ajuster en fonction de la route. Et voilà que l'hybride cale au bout de deux kilomètres, tandis que l'essence roule des dizaines de kilomètres.

Selon des théories qui vont au-delà du modèle standard, dans les tout premiers instants après le Big Bang, des paires de monopôles magnétiques — des particules avec un seul pôle magnétique — auraient été créées. Elles se seraient retrouvées aux extrémités d'une corde cosmique, un fil d'énergie pure.

Un supraconducteur ordinaire fonctionne comme un conducteur parfait : les électrons s'associent en paires et se déplacent sans résistance.

Dans une fine pellicule de supraconducteur, des sursauts de courant électrique apparaissent de temps à autre. Ils ressemblent à des empreintes digitales, mais on ne sait pas immédiatement à qui elles appartiennent. Certaines sont laissées par des particules mystérieuses qui pourraient servir de base à un ordinateur quantique fiable.

Un supraconducteur est un matériau qui, à très basse température, conduit l'électricité sans pertes : les électrons se déplacent sans se bousculer, comme une foule avançant dans un couloir parfaitement lisse.

La lumière voyage généralement en ligne droite, comme le faisceau d'une lampe de poche. Mais on peut la faire tourbillonner, comme l'eau dans un entonnoir, créant ainsi un vortex dans le faisceau. Cette lumière tordue peut transporter plus de données : différents vortex ne se gênent pas mutuellement, à l'instar de différentes chaînes radio.

L'hélium liquide, refroidi presque au zéro absolu, se comporte comme deux fluides à la fois : une partie visqueuse ordinaire et une partie superfluide qui s'écoule sans frottement. Lorsqu'un tel écoulement rencontre un cylindre, des tourbillons naissent derrière lui.

Dans un supraconducteur, les électrons se déplacent par paires, comme des couples de danseurs. En général, une seule paire traverse un contact entre deux supraconducteurs à la fois. Mais si l'on ajoute un troisième contact, la danse se complique : deux paires peuvent se mouvoir ensemble, formant un quatuor.

Un fil ordinaire à haute fréquence ressemble à une route pleine de nids-de-poule : le signal saute, une partie de l'énergie se dissipe en chaleur. Une chaîne supraconductrice en aluminium et en arséniure d'indium (un semi-conducteur) s'est révélée être une piste lisse pour les micro-ondes.

Au cœur d'un supraconducteur, les électrons s'unissent en paires de Cooper et se déplacent sans résistance. Mais si un vortex apparaît dans cet ordre parfait — une minuscule région où la supraconductivité disparaît — des excitations particulières y surgissent : les quasiparticules de Bogolioubov.

Les phases topologiques se cachent généralement dans des cryostats. Circuits supraconducteurs, atomes ultra-froids, impulsions laser : tous protègent l'ordre quantique du bruit thermique.