supraconductivité triplet

Un atome d'erbium isolé repose sur un substrat d'argent, et son spin — la rotation interne de l'électron — stocke l'information quantique. Auparavant, pour inverser ce spin, il fallait une impulsion magnétique : un outil grossier qui affecte les voisins et fonctionne lentement.

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.

Dans les supraconducteurs, les électrons s'associent en paires et circulent sans résistance. Habituellement, ces paires sont réparties uniformément, comme l'eau d'un lac calme. Mais parfois, une ondulation apparaît dans le matériau — les paires se condensent et se raréfient avec un pas déterminé. Cet état est appelé supraconductivité à onde de densité de paires.

Un parquet où chaque deuxième lame est posée dans le sens inverse semble symétrique. Mais si on passe la main, dans un sens les doigts glissent sur les fibres, dans l'autre ils accrochent. C'est à peu près ainsi que fonctionne un nouveau type de magnétisme étudié dans le cristal AgCrP2S6. Dans ce matériau stratifié, les atomes de chrome sont alignés en longues chaînes, comme des fils de perles.

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.

Les qubits supraconducteurs sont le cœur battant des ordinateurs quantiques, mais leur rythme est perturbé par la décohérence : la quantique se dissout dans le bruit.

La lumière frappe une molécule organique — et à l'intérieur naît une paire de jumeaux d'excitation. On les appelle paires de triplets.

La supraconductivité est souvent imaginée comme une danse figée d'électrons : ils s'associent en paires et se déplacent sans résistance, tels des patineurs sur une glace parfaite. Mais dans les supraconducteurs à haute température, cette glace s'avère moins lisse qu'il n'y paraît.

Depuis près de quarante ans, la supraconductivité à haute température dans les cuprates reste l'une des énigmes les plus profondes de la physique de la matière condensée.

Dans un cristal que l'on appelle depuis des siècles « l'or des fous », des physiciens ont aperçu un véritable trésor. Le composé MnTe2, de structure pyrite, est devenu la scène d'un ballet quantique : les ondes de spin s'y enroulent en tourbillons gauchers et droitiers, et le sens de l'enroulement est intimement lié à l'impulsion.

Le problème des trois corps est l'éternelle pierre d'achoppement de la mécanique céleste. Déjà Poincaré, à la fin du XIXe siècle, avait compris que son chaos échappe à toute solution analytique générale. Dans cette folie gravitationnelle, on ne rencontre que rarement des îlots de régularité — les orbites périodiques.

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 interrupteur qui sait tout seul dans quel sens laisser passer le courant. C'est ainsi que fonctionne une diode Josephson : un pont supraconducteur où le courant circule volontiers dans un sens, mais bute dans l'autre. Dans cette nouvelle étude, un tel pont a été réalisé en graphène, une feuille de carbone d'un seul atome d'épaisseur.

Trois danseurs évoluent comme un seul corps : chacun ressent tous les autres, et l'harmonie globale ne se réduit pas aux interactions individuelles. C'est à peu près le comportement de trois particules nées d'une collision entre un électron et un positron à vitesse de la lumière.

Un essaim de lucioles ne se heurte presque jamais, mais change de couleur de manière synchrone en échangeant des signaux. C'est ainsi que se comportent les neutrinos dans les flux denses provenant d'étoiles en effondrement : ils se transforment collectivement d'un type à un autre, alors qu'individuellement ils interagissent très faiblement.

Un traducteur travaille dans deux mondes à la fois : pour un observateur extérieur, il est silencieux et discret, mais à l'intérieur de son esprit, une activité intense bouillonne, avec des lignes de sens bien nettes. C'est à peu près ainsi que fonctionnent les altermagnets — une classe de matériaux magnétiques découverte récemment.

À l'intérieur du cristal EuRbFe4As4, les couches de fer et d'arsenic alternent avec des intercalaires d'europium et de rubidium. Lorsqu'on refroidit en dessous de 15 kelvins (–258 °C), les atomes d'europium alignent leurs moments magnétiques en une spirale — chaque couche successive est tournée de 90 degrés, comme les marches d'un escalier en colimaçon.

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.

Dans le cristal de nitrure de bore, le réseau atomique parfait est parfois perturbé : ici un atome manque, là il est remplacé par un atome étranger.

La piste de danse est pleine de couples qui tournoient en valse. Habituellement, les partenaires se déplacent dans des directions opposées : l'un fait un pas en avant, l'autre en arrière, pour garder le rythme commun.

Lorsque de nombreux atomes excités sont rassemblés, ils émettent souvent de la lumière de manière coordonnée — comme une foule qui applaudit en rythme. Ce phénomène bien connu s'appelle la superradiance de Dicke. Mais les auteurs de la nouvelle étude se sont demandé : que se passe-t-il si les atomes ne sont pas identiques et que chacun ressent ses voisins ?

Le cristal La3Ni2O7 ressemble à un gâteau en couches, où la garniture d'atomes de nickel et d'oxygène alterne avec des couches de lanthane.

Un gâteau en couches de plans atomiques de nickel et d'oxygène — c'est ainsi que sont faits les nickelates à double couche. Deux de ces plans sont séparés par une couche intermédiaire. Si un atome d'oxygène se loge dans cette couche, il agit comme un pont : il relie les couches et déclenche un état dans lequel les électrons se déplacent sans résistance.

Dans un morceau d'aimant ordinaire, tous les spins électroniques — ces minuscules aiguilles magnétiques — pointent dans la même direction. C'est un rang de soldats tournés vers leur commandant. Cet ordre est appelé antiferromagnétique colinéaire.

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.

Dans un cristal ordinaire, les atomes sont alignés en rangées régulières, comme des soldats sur un terrain de parade. Toute déviation de cet alignement est généralement considérée comme nuisible : le désordre disperse les ondes et éteint rapidement les mouvements collectifs des particules.

À l'intérieur d'un supraconducteur, le champ magnétique s'enroule généralement en tubes – des vortex, chacun portant un quantum de flux magnétique. C'est ainsi qu'est constitué le réseau classique d'Abrikosov. Mais dans les cristaux de LiFeAs, le tableau est différent.

Un orchestre sans chef joue, et soudain — sans ordre visible — les violons commencent à sonner plus fort, et les cuivres se décalent légèrement dans le temps. De l'extérieur, rien ne semble avoir changé, mais à l'intérieur de l'ensemble, il y a eu une réorganisation. C'est à peu près ainsi que se comportent les petits systèmes physiques lors des pseudotransitions du troisième ordre.

La piste de danse est remplie de gens qui bougent chacun pour soi. Soudain, une partie d'entre eux se met en couples – ils tournoient, sans presque remarquer les voisins, tandis que les autres s'alignent en chaînes.

Dans le monde des supraconducteurs, les électrons n'aiment pas la solitude. D'habitude, ils s'associent en paires — les paires de Cooper — et se déplacent sans résistance, comme des patineurs artistiques se tenant par la main. Mais on peut les faire danser à quatre.

Quatre musiciens jouent en harmonie seulement s'ils se tiennent par la main. Dans le monde quantique, une telle chaîne est formée par quatre électrons dans quatre boîtes quantiques adjacentes — de minuscules pièges à charge. C'est la base du qubit SAGE (de l'anglais « always-on exchange on singulets »).

Deux rives supraconductrices sont reliées par un pont en matériau magnétique. À l'intérieur du pont se trouve une paroi de domaine : une frontière étroite où l'aimantation pivote, comme une rangée de soldats qui change de direction.

Une petite bille à noyau de fer repose sur une surface, et un champ magnétique tourne autour d'elle. La bille se met à rouler comme une roue, et en général elle va dans le sens de rotation du champ. Mais parfois, elle fait soudainement demi-tour et roule dans l'autre sens — à contre-courant.

Sur une piste de danse, la lumière et les mouvements des danseurs ne sont pas liés : les lumières clignotent indépendamment, les gens bougent à leur guise. Dans le monde microscopique, c'est pareil : les électrons et les photons ne se synchronisent presque jamais — c'est l'interdiction de la superradiance. Mais ajoutez un battement rythmique, et la piste s'anime.

Un panier tressé en osier tient sa forme grâce à l'entrelacement des brins. Un motif similaire — des triangles imbriqués dans un réseau plat — a été découvert dans un nouveau cristal de formule Cs₃V₉Te₁₃. Ici, les atomes de vanadium forment deux ensembles de triangles qui se traversent mutuellement, comme des fils dans un tissu.

Le cristal du composé d'uranium UTe2 ressemble à un gâteau en couches où les électrons circulent sans résistance. Mais si l'on observe sa surface au microscope, on voit des ondulations — comme des vagues sur l'eau après qu'on y a jeté une pierre.

Un électron dans un champ magnétique, c'est comme une toupie minuscule qui tourne et émet un faible « couinement » à sa fréquence. Entendre ce couinement directement est presque impossible : il se noie dans le bruit.

Un anneau d'atomes magnétiques évoque une ronde où chaque participant tient ses voisins par la main. Dans les aimants ordinaires, chaque atome possède son propre moment magnétique permanent, et ils interagissent comme de petites aiguilles qui cherchent à s'aligner en sens inverse.

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.