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Supraconductivité : et voilà de nouvelles paires de Cooper

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Par Laurent Sacco, Futura

La supraconductivité ordinaire s'explique bien grâce aux paires de Cooper, de moment cinétique nul, formées à partir de deux électrons. Pour la première fois, des paires de Cooper de moment cinétique non nul ont été observées, ouvrant peut-être la voie pour de nouveaux dispositifs supraconducteurs.

De gauche à droite, John Robert Schrieffer, John Bardeen et Leon Cooper, les auteurs de la théorie BCS. © University of Illinois

La supraconductivité a été découverte par le Hollandais Heike Kamerlingh Onnes en 1911. Mais ce phénomène paradoxal, qui permet à un courant électrique de s'écouler sans résistance (et donc sans pertes) dans certains matériaux, n'a vraiment commencé à être compris qu'avec les travaux de trois physiciens : John Bardeen, Leon Cooper et John Robert Schrieffer. La théorie BCS pour les supraconducteurs conventionnels, acronyme des noms de ces trois chercheurs, fut proposée en 1957 et leur vaudra le prix Nobel de physique en 1972.

Dans cette théorie, la mécanique quantique se révèle un ingrédient essentiel, aussi bien parce qu'elle fait intervenir des phonons acoustiques que parce qu'elle repose sur la fameuse statistique de Bose-Einstein découverte par Satyandra Nath Bose. Des bosons se formant (connus sous le nom de paires de Cooper), il est possible aux électrons de s'écouler à la façon d'un superfluide dans le réseau cristallin de certains métaux ou alliages, comme celui de niobium-titane.

Des paires d'électrons quantiques

Leon Cooper avait compris que dans le cas des supraconducteurs conventionnels, l'interaction entre le gaz des électrons libres dans un métal et les phonons acoustiques de son réseau cristallin, permettait à deux électrons de s'apparier. Les électrons sont des fermions, c'est-à-dire des particules de moment cinétique (spin) demi-entiers (plus précisément ½), et ils ne peuvent pas constituer un gaz de bosons. Mais tout change s'ils s'associent en paires...

En effet, la somme des deux moments cinétiques des électrons a pour valeur 0 ou 1 (selon que les spins sont parallèles ou antiparallèles), donc des nombres entiers caractéristiques des bosons. Plus précisément, il existe deux états quantiques : l'état singulet de moment cinétique nul, avec des spins antiparallèles, et un état de spin entier, dit état triplet.

Jusqu'à présent, dans les paires de Cooper, seul l'état singulet avait été observé, mais certains pensaient qu'il était également possible qu'existe un état triplet.

Un groupe de chercheurs de l'université de Santa Barbara (États-Unis), de la Ruhr-Universität Bochum (RUB) et de la Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) vient justement de prouver cette existence dans la cas d'une jonction Josephson (du nom du prix Nobel Brian Josephson) bien particulière, comme il est expliqué dans un article récent de la Physical Review B

Le prix Nobel de physique Brian Josephson. © GNU Free Documentation License, Wikipedia

Des jonctions Josephson avec un matériau ferromagnétique

D'ordinaire, une jonction Josephson, comme celle des Squids, est un sandwich formé de deux couches de matériaux supraconducteurs avec une tranche très fine d'un isolant entre les deux. Les paires de Cooper ne peuvent passer d'une couche à l'autre que grâce à un autre phénomène quantique : l'effet tunnel.

Normalement, si l'on remplace l'isolant par un matériau ferromagnétique, les paires de Cooper sont détruites. Plus exactement, les paires de Cooper ne peuvent plus exister dans un état singulet, contrairement aux paires dans un état triplet (selon les calculs théoriques), pourvu qu'elles puissent se former.

Si tel est le cas, on devait donc observer un courant traversant une jonction Josephson avec un matériau ferromagnétique adéquatement préparé. C'est exactement ce que les chercheurs ont obtenu avec un alliage de Heusler ferromagnétique de formule Cu2MnAl. Mieux, le courant obtenu était même plus intense que dans le cas des jonctions Josephson conventionnelles.

Il ne s'agit pas simplement de la confirmation d'une prédiction de la théorie BCS. Les jonctions Josephson sont utilisées non seulement pour mesurer les faibles champs magnétiques du cerveau mais sont également prometteuses comme alternative plus efficace au capteur CCD en astronomie. Le télescope Herschel en est ainsi équipé. La découverte des chercheurs pourrait donc déboucher sur une nouvelle génération de dispositifs.