Le strontium révèle les secrets quantiques de la supraconductivité

La supraconductivité donne l’impression que la physique est magique. À des températures froides, les matériaux supraconducteurs permettent à l’électricité de circuler indéfiniment tout en expulsant les champs magnétiques extérieurs, les faisant léviter au-dessus des aimants. Les IRM, les trains maglev et les accélérateurs de particules à haute énergie utilisent la supraconductivité, qui joue également un rôle crucial dans l’informatique quantique, les capteurs quantiques et la science des mesures quantiques. Un jour, les réseaux électriques supraconducteurs pourraient fournir de l’électricité avec une efficacité sans précédent.

Les défis des supraconducteurs

Pourtant, les scientifiques n’ont pas le contrôle total sur les supraconducteurs conventionnels. Ces matériaux solides comprennent souvent plusieurs types d’atomes dans des structures complexes difficiles à manipuler en laboratoire. Il est encore plus difficile d’étudier ce qui se passe lorsqu’un changement soudain se produit, tel qu’un pic de température ou de pression, qui déséquilibre le supraconducteur.

La théorie quantique a prédit des comportements intrigants lorsqu’un supraconducteur est hors d’équilibre. Cependant, il a été difficile de perturber ces matériaux en laboratoire sans perturber leurs délicates propriétés supraconductrices, laissant ces prédictions non testées.

La recherche innovante de JILA

Cependant, les scientifiques peuvent obtenir des informations étonnamment approfondies sur la supraconductivité en l’étudiant avec des réseaux d’atomes entièrement contrôlables dans un gaz. C’est l’approche d’une collaboration de recherche au JILA, un institut commun du National Institute of Standards and Technology (NIST) et de l’Université du Colorado à Boulder.

Dans leurs derniers travaux, les chercheurs de JILA ont fait en sorte qu’un gaz composé d’atomes de strontium agisse comme un supraconducteur. Même si les atomes de strontium eux-mêmes ne sont pas supraconducteurs, ils suivent les mêmes règles de la physique quantique. Les chercheurs pourraient faire interagir les atomes d’un gaz de manière à préserver les types d’interactions responsables de la supraconductivité tout en supprimant d’autres interactions complexes et concurrentes. En déséquilibrant les atomes, les chercheurs ont constaté des changements dans les interactions atomiques qui affecteraient les propriétés des supraconducteurs réels.

Grâce à leur gaz strontium agissant comme un « simulateur quantique », les chercheurs ont pu observer un comportement des supraconducteurs dont l’existence était prédite depuis des années. Cette étude, publiée dans Nature, offre de nouvelles perspectives sur le fonctionnement des supraconducteurs lorsqu’ils sont correctement hors d’équilibre, et met en lumière la manière de rendre les supraconducteurs plus robustes et la manière d’utiliser leurs propriétés uniques dans d’autres technologies quantiques.

« Dans quelle mesure ces choses sont-elles robustes ? »

Dans un matériau normal, les électrons se déplacent de manière incohérente, se heurtant constamment les uns aux autres ; normalement, les électrons se repoussent. En se déplaçant, ils entrent en collision, perdant de l’énergie et générant de la chaleur ; c’est pourquoi les courants électriques se dissipent lorsque les électrons circulent dans un fil métallique. Cependant, dans un supraconducteur, les électrons se regroupent en paires faiblement liées, appelées paires de Cooper. Lorsque ces paires se forment, elles ont toutes tendance à se déplacer de manière cohérente, c’est pourquoi elles traversent le matériau sans résistance.

La physique est simple dans un certain sens, explique la physicienne théoricienne Ana Maria Rey, boursière du NIST et du JILA. Les paires de Cooper existent dans un état de faible énergie car les vibrations de la structure cristalline du matériau rapprochent les électrons. Une fois formés, les couples Cooper préfèrent agir de manière cohérente et s’unir. Les paires Cooper sont un peu comme des « flèches » qui veulent s’aligner dans la même direction. Pour les déverrouiller ou faire pointer l’une des flèches dans une direction différente, vous devez ajouter de l’énergie supplémentaire pour briser les paires de Cooper, explique Rey. L’énergie que vous devez ajouter pour les débloquer s’appelle un déficit énergétique. Des interactions plus fortes entre les atomes créent un écart énergétique plus grand car l’attraction qui maintient les paires de Cooper verrouillées est si forte. Combler cet écart énergétique enlève beaucoup d’énergie aux paires Cooper. Cet écart énergétique agit donc comme un tampon, permettant aux paires de Cooper de rester joyeusement verrouillées en phase.

Tout cela fonctionne lorsque le système est en équilibre. Mais lorsque vous introduisez un changement soudain et rapide, le supraconducteur perd son équilibre ou est « éteint ». Depuis des décennies, les scientifiques souhaitent savoir ce qui arrive à la supraconductivité suite à une trempe brusque mais pas assez forte pour briser complètement les paires de Cooper, a déclaré James Thompson, physicien de la JILA.

« En d’autres termes, à quel point ces choses sont-elles robustes ? » dit Thompson.

Les théoriciens ont prédit trois possibilités ou phases différentes qui pourraient se produire lorsque le supraconducteur est désactivé. Pensez-y comme à un grand groupe de danseurs carrés, dit Thompson. Au début, tout le monde est synchronisé, au rythme de la musique. Ensuite, certaines personnes sont un peu fatiguées ou d’autres commencent à avancer un peu trop vite, elles s’écrasent les unes sur les autres et cela se transforme en mosh pit. C’est la phase I, lorsque la supraconductivité s’effondre. Dans la phase II, les danseurs décalent le rythme, mais parviennent à rester synchronisés. La supraconductivité survit à la trempe. Les scientifiques ont pu observer et étudier ces deux phases.

Mais ils n’ont jamais vu une troisième phase prévue depuis longtemps, dans laquelle la supraconductivité du système oscille au fil du temps. Dans cette phase, nos danseurs se déplaceront parfois un peu plus vite ou un peu plus lentement, mais personne ne s’écrase. Cela signifie qu’il s’agit parfois d’un supraconducteur plus faible, et parfois d’un supraconducteur plus fort. Jusqu’à présent, personne n’avait pu observer cette troisième phase.

‘Tout coule’

En collaboration avec le groupe théorique de Rey, l’équipe de Thompson du JILA a refroidi et chargé au laser des atomes de strontium dans une cavité optique, un espace doté de miroirs hautement réfléchissants à chaque extrémité. La lumière laser rebondit des millions de fois avant qu’une partie de la lumière ne s’échappe par une extrémité.

La lumière dans la cavité a médié les interactions entre les atomes, les amenant à s’aligner dans un état de superposition – ce qui signifie qu’ils sont à la fois dans l’état excité et fondamental – et à se verrouiller en phase, comme le font les paires de Cooper, explique Rey.

À l’aide de lasers, les scientifiques peuvent éteindre le système et, en mesurant la lumière qui s’échappe, ils apprennent comment l’écart énergétique a évolué au fil du temps. Grâce à cette simulation de supraconducteur quantique, ils ont pu observer pour la première fois les trois phases dynamiques.

Ils ont découvert que dans la troisième phase, le déficit énergétique peut maintenir la supraconductivité même lorsque le système est hors d’équilibre. L’utilisation de simulateurs quantiques comme celui-ci pourrait aider les scientifiques à concevoir des supraconducteurs non conventionnels ou plus robustes, et à mieux comprendre la physique des supraconducteurs en général.

C’est également une manière contre-intuitive pour les scientifiques travaillant dans le domaine de la mesure de considérer les interactions atomiques, comme celles qui provoquent le déficit énergétique, comme un avantage et non comme une malédiction.

« En science de la mesure, les interactions sont généralement mauvaises. Mais ici, lorsque les interactions sont fortes, elles peuvent vous aider. L’écart protège le système : tout circule », explique Rey. « Au cœur de cette idée, il pourrait y avoir quelque chose qui oscille pour toujours. »

Avoir quelque chose qui oscille pour toujours est un rêve pour la technologie quantique, ajoute Thompson, car cela permettrait aux capteurs de mieux fonctionner plus longtemps. Tout comme les supraconducteurs, les groupes d’atomes, de photons et d’électrons dans les capteurs quantiques doivent rester synchronisés ou cohérents pour fonctionner, et nous ne voulons pas qu’ils se transforment en un gouffre quantique ou en « déphase ».

« Je suis ravi que l’une des phases dynamiques que nous observons puisse être utilisée pour protéger la cohérence optique quantique contre le déphasage. Par exemple, cela pourrait un jour permettre à une horloge atomique optique de fonctionner plus longtemps », a déclaré Thompson. « Cela représente une toute nouvelle façon d’augmenter la précision et la sensibilité des capteurs quantiques, un sujet qui se situe à la frontière de la métrologie ou de la science de la mesure quantique. Nous voulons exploiter les nombreux atomes et profiter des interactions pour construire un meilleur capteur.