supraconductivité non conventionnelle

Les anciennes cartes au trésor étaient dessinées à partir de rumeurs : quelqu'un avait trouvé de l'or près d'une rivière, quelqu'un d'autre dans les montagnes, et chacun creusait à son propre endroit.

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.

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 les fines couches d'un cristal de séléniure de tantale (TaSe₂) se cache une propriété qui défie la physique conventionnelle. Lorsque des atomes invités ont été ajoutés entre les couches de ce matériau, la structure a perdu son centre de symétrie — et une supraconductivité blindée est apparue à l'intérieur.

Juste après le Big Bang, l’Univers ressemblait à un chaudron en ébullition : partout éclataient et grossissaient des bulles d’un nouvel état de la matière. Il s’agissait de transitions de phase du premier ordre — exactement comme l’ébullition de l’eau. Sauf que la température atteignait des billions de degrés.

À 123 parsecs de la Terre, dans la constellation de la Couronne australe, flotte l'étoile à neutrons RX J1856.5-3754. Son diamètre est d'environ 12 kilomètres, soit moins que le périphérique de Paris, mais sa température de surface atteint 460 000 kelvins.

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.

Imaginez un gratte-ciel assemblé non pas à partir de briques individuelles, mais d'appartements-studio entiers. C'est exactement ainsi qu'est structuré le cristal Au₆Te₁₂Se₈ : ses nœuds ne sont pas des atomes, mais des clusters superatomiques d'or et de chalcogènes qui se comportent comme des objets quantiques uniques.

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.

Dans les profondeurs d'une étoile à neutrons massive, où une cuillère à café de matière pèse comme une montagne, les quarks sont compressés à une proximité inimaginable.

Une poignée d'allumettes tombe sur la table. Chacune repose au hasard, mais imaginons-la transformée en flèche — d'une extrémité à l'autre. Posons alors la question : peut-on aller d'un point à un autre en ne suivant que le sens des flèches ? Un groupe de points où l'on peut atteindre n'importe quel point depuis n'importe quel autre s'appelle un cluster fortement connecté.

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.

Une pierre tombe dans un étang — et des cercles se propagent à la surface. Mais si la pierre est très petite et que l'eau n'est pas tout à fait ordinaire, les cercles la traversent sans même la remarquer.

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 où chaque musicien joue sa partition, tandis que le chef tente de saisir la mélodie d'ensemble. C'est à peu près ainsi que les physiciens regardent les électrons dans les cuprates — des matériaux céramiques qui conduisent le courant sans résistance à des températures supérieures à celle de l'azote liquide.

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.

Au cœur des supraconducteurs à base de cuivre — ces matériaux qui conduisent le courant sans perte à des températures étonnamment élevées — se cache une phase invisible. Elle se comporte comme un métal ordinaire, mais elle est indétectable dans les mesures standard.

Dans une casserole d'eau bouillante, des bulles de vapeur naissent et éclatent, mais l'eau reste liquide. Quelque chose de similaire se produit dans un gaz atomique ultra-froid : les atomes forment constamment des paires puis se séparent à nouveau, alors que la superfluidité n'est pas encore atteinte.

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 niobium est un métal qui, lorsqu'il est refroidi à quelques degrés au-dessus du zéro absolu, conduit le courant sans résistance. Dans les laboratoires, on le dépose en fines pistes sur un substrat, comme on étale de la crème sur un gâteau.

Dans un résonateur supraconducteur, la lumière ne se contente pas de se réfléchir : elle enlace le qubit si étroitement que leur danse commune ne peut plus être décrite par les vieux manuels.

Le cristal LBCO-0.125, à pression normale, ne conduit presque pas le courant sans perte. À l'intérieur, les électrons s'organisent en bandes avec une aimantation alternée, et ces bandes agissent comme des barrières : les paires supraconductrices se forment mais ne peuvent pas circuler librement à travers tout l'échantillon.

Le cristal d'oxyde d'osmium OsO₂ ressemble à un adolescent têtu : dans des conditions normales, il se comporte comme un métal ordinaire, mais il suffit d'appuyer plus fort pour que le caractère change.

Un alliage métallique ressemble à un cocktail : on mélange plusieurs éléments et on obtient un matériau aux nouvelles propriétés. Mais si le barman goûte la boisson, les ingénieurs, eux, doivent savoir à l'avance comment l'alliage se comportera en service.

La théorie standard de la supraconductivité, élaborée par John Bardeen et ses collègues, n'explique pas pourquoi d'excellents conducteurs comme l'or et le cuivre ne passent jamais à l'état supraconducteur.

Le cristal de RbMn6Bi5 ressemble à un immeuble de cinq étages d'atomes de manganèse, où les occupants de chaque étage forment un pentagone. À température ambiante, les moments magnétiques des atomes oscillent de manière chaotique, comme des aiguilles de boussole pendant une tempête magnétique.

Les électrons dans un métal, c'est un peu comme la foule dans le métro : chacun vaque à ses occupations, mais à la moindre poussée, tout le monde bouge d'un coup. Cette oscillation collective du gaz électronique, les physiciens l'appellent un plasmon.

Dans les fils ordinaires, les électrons se bousculent, perdent de l'énergie, chauffent : c'est la résistance. Dans les supraconducteurs, une partie des électrons se synchronise en paires, comme des danseurs qui tournoient sans se heurter. Mais ces paires se cachent : on ne peut pas les voir directement, seulement les deviner grâce à leur coordination parfaite.

À 78 K, le cristal Mn₃Si₂Te₆ se transforme en bobine d'induction qui n'a besoin ni de fil de cuivre ni de supraconducteur. Les électrons à l'intérieur s'organisent spontanément en tourbillons fermés avec un sens de rotation défini, des courants orbitaux chiraux.