Supraconductivité cond-mat.supr-con

Un champ magnétique de 8 teslas, c'est 200 fois plus fort que le champ terrestre. Sous un tel champ, la supraconductivité dans un film mince de ditellurure de palladium ne se contente pas de survivre, elle tient jusqu'à une température de 20 millikelvins, soit cent fois plus froid que l'espace…

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.

Faites passer un courant à travers un contact entre un supraconducteur et un ferromagnétique, et vous entendrez le murmure du monde quantique.

En photométrie (mesure de la lumière), il a longtemps été impossible de détecter des photons micro-ondes individuels, leur énergie étant comparable à l'agitation thermique des atomes.

Moment dipolaire mesuré du tantale-181 : 3,39 × 10⁻³² e·cm — c'est comme repérer un déplacement d'un atome à l'échelle du système solaire. Un noyau atomique ordinaire est parfaitement équilibré, telle une toupie qui tourne.

On peut glisser un « espion » dans un diamant. Il suffit de remplacer un atome de carbone par de l'azote : on obtient un défaut qui réagit au champ magnétique et émet un signal lumineux.

La matière, c'est comme une maison. Dans certaines pièces, l'ordre strict du cristal règne, chaque atome à sa place. Dans d'autres, c'est le chaos de l'hélium superfluide hélium, où les atomes oublient leurs voisins.

Toute la matière, des étoiles aux humains, est composée de particules qui, dans le modèle standard, se répartissent en deux familles. Mais il en existe une troisième, rare : des particules qui, lorsqu'on les échange, ne se contentent pas de changer de place, mais se nouent, mémorisant le fait de l'entrelacement, et non le chemin parcouru.

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.

Un ordinateur quantique, c'est comme un plat raffiné. Il existe des recettes pour une cuisine ordinaire, mais certains états quantiques particuliers sont des ingrédients secrets qui transforment le plat en chef-d'œuvre. L'un d'eux, c'est la « magie ». Le terme a été introduit par John Preskill en 2018.

Dans les années 1930, Fritz Zwicky, en observant l'amas de la Chevelure de Bérénice, a remarqué des vitesses anormalement élevées des galaxies : leur mouvement indiquait la présence d'une immense masse cachée, liant gravitationnellement le système.

Un circuit supraconducteur, c'est comme une balançoire sans frottement, possible uniquement à la température de l'hélium liquide (–273 °C). Dans ce froid, le courant électrique circule en boucle sans s'atténuer, conservant son rythme.

Dans le cristal TiSe2, les électrons se comportent comme des aiguilles de boussole qui se mettent soudainement à pointer dans la même direction. C'est ce qu'on appelle l'état nématique, par analogie avec les cristaux liquides, où les molécules s'alignent selon une direction commune, bien que le matériau reste liquide.

Le graphène est une feuille de carbone d'un atome d'épaisseur. Si on la plie selon un motif particulier, on obtient un nouveau matériau : le grouken.

Une fine feuille de carbone, semblable à un délicat treillis de triangles, d'hexagones et d'octogones, repose sur un substrat. En soi, elle n'est pas supraconductrice : les électrons s'y déplacent en désordre, butant sur les atomes. Mais il suffit d'étirer uniformément cette feuille — comme on tend une toile sur un châssis — et le tableau change.

Un cristal supraconducteur est comprimé dans une petite cellule — comme si on le serrait dans un étau, mais avec de l'eau pour que la pression soit répartie uniformément. Une pression allant jusqu'à 1,08 GPa (soit environ cent fois plus que dans un pneu de voiture) ne modifie presque pas la température à laquelle le matériau perd sa résistance.

Dans le cristal La₂₋ₓSrₓCuO₄, pour une certaine composition, deux états coexistent : la supraconductivité, où les électrons se déplacent sans perte, et l'onde de charge, une accumulation périodique de la densité électronique. Ces états se disputent les mêmes nuages électroniques, qui ressemblent à des pétales en forme de croix.

À une température de 4,3 degrés au-dessus du zéro absolu, le cristal de tellurure de palladium cesse de résister au courant électrique. Les électrons s'y apparient et se déplacent sans perte, comme une foule qui se tient par la main. Mais ce supraconducteur semble avoir non pas un, mais deux modes d'appariement différents.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre qui ne joue que dans un silence absolu. Le moindre bruit, et la mélodie fragile s'effondre.

La mémoire informatique ordinaire consomme constamment de l'énergie pour ne pas oublier ce qu'elle a enregistré. Un supraconducteur pourrait stocker des données sans perte, mais il est difficile de le faire basculer. Dans ces travaux, le supraconducteur est pris en sandwich entre deux isolateurs magnétiques.

Dans un supraconducteur ordinaire, les électrons s'associent en paires immobiles — leur impulsion totale est nulle. Mais il existe une autre possibilité : les paires acquièrent une impulsion commune et se mettent en mouvement, tel un banc de poissons remontant le courant. Cet état, appelé onde de paires, est très capricieux et exige des conditions particulières.

Le vide n'est jamais vraiment immobile. Il grouille de minuscules fluctuations d'énergie, comme l'argile brute d'un sculpteur. Dans une nouvelle expérience, un mince film de matériau supraconducteur a été placé à l'intérieur d'une cavité conçue pour piéger la lumière térahertz, une forme de rayonnement invisible.

Une boussole ordinaire se fige lorsqu'un éclair frappe à proximité. La brusque variation du champ magnétique déroute l'aiguille. Un problème similaire gênait les scientifiques pour mesurer le magnétisme des matériaux dans des champs pulsés intenses, ceux qui s'activent en un millième de seconde.

Le faisceau laser, tel un burin fin, grave l'oxygène hors du film supraconducteur. Là où l'oxygène se fait plus rare, le matériau cesse de conduire le courant sans résistance. Les scientifiques ont utilisé cette technique pour dessiner sur le film des motifs qui en modifient les propriétés.

Le champ magnétique est invisible, mais on peut le faire « briller ». Pour cela, on prend un minuscule diamant avec des défauts — des endroits où un atome de carbone est remplacé par de l'azote, et où une lacune voisine se trouve dans le réseau.

Dans le matériau NaAlSi, les électrons, lorsqu'ils sont refroidis, forment une ondulation éphémère — des stries qui apparaissent et disparaissent, comme les motifs que le vent dessine sur l'eau. Ces stries s'entrelacent avec la supraconductivité, cet état où le courant circule sans résistance.

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.

Un supraconducteur, c'est un peu comme une ville où les électrons cessent de se bousculer et se mettent à avancer par paires, comme des gens qui marchent main dans la main. Dans le nickelate de néodyme et de strontium (Nd₀.₈Sr₀.₂NiO₂), ce « défilé » apparaît à environ 10 kelvins (moins 263 degrés Celsius), mais pas de manière uniforme.

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.

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 NbSe2 ressemble à une pile de feuilles de papier : les couches sont serrées et leurs propriétés se fondent. Des chimistes ont trouvé le moyen d'écarter cette pile de près du double — en insérant de longues molécules organiques entre les couches, comme des intercalaires. Désormais, chaque couche se comporte comme si elle était seule, d'un atome d'épaisseur.

Un détecteur supraconducteur de photons uniques ressemble à une corde tendue dans l'obscurité. Lorsqu'un photon unique la frappe, la corde perd momentanément sa supraconductivité — et l'on entend un clic.

Les supraconducteurs sont des matériaux qui conduisent l'électricité sans perte, mais leurs propriétés sont généralement fixes. Dans cette nouvelle étude, des scientifiques ont fabriqué un dispositif semblable à un croisement de deux pistes supraconductrices.

Dans un supraconducteur, le courant électrique circule sans perte, comme l'eau dans un tuyau parfaitement lisse. Mais si l'on place ce matériau dans un champ magnétique, des tourbillons apparaissent à l'intérieur — de minuscules entonnoirs où la supraconductivité est détruite.

Un supraconducteur ordinaire ne fonctionne que dans le congélateur de la nature : à des températures inférieures à moins cent degrés. Le matériau de billes de carbone K₃C₆₀ ne fait pas exception : sans froid, il résiste au courant comme une foule dans un couloir étroit.

Un supraconducteur est un matériau dans lequel le courant électrique circule sans perte, comme l'eau dans un tuyau parfaitement lisse. Mais si des vortex apparaissent, le courant commence à « trébucher » sur ces minuscules tourbillons. Dans le graphène tordu selon un angle particulier, on peut créer et étudier ces vortex un par un.

Un nanofil ressemble à un câble minuscule : à l'intérieur, un cœur magnétique ; à l'extérieur, une gaine d'aluminium qui peut conduire le courant sans résistance. Mais ils ne cohabitent pas facilement : un champ magnétique puissant détruit la supraconductivité, comme le bruit couvre une mélodie douce.

Un interrupteur ordinaire clique – et le courant passe ou ne passe pas. Voici maintenant un matériau qui commute tout seul entre « conduit sans perte » et « résiste » sous l'effet d'un aimant. C'est exactement ce sandwich qu'ont assemblé des physiciens : une fine couche de plomb déposée sur un supraconducteur à base de bismuth, strontium, calcium, cuivre et oxygène.

Un qubit supraconducteur est un minuscule circuit électrique qui se comporte comme un atome artificiel. Dans son état normal, le courant le traverse sans résistance, et les niveaux d'énergie sont disposés régulièrement, comme les marches d'un escalier. Mais si un électron unique se retrouve piégé dans le circuit, tout change.

Dans le réseau cristallin du séléniure de fer, les atomes de fer et de sélénium alternent comme des briques dans un mur. Mais parfois, des atomes de fer supplémentaires s'infiltrent dans les interstices — tels des invités indésirables qui se faufilent entre les briques.