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Des courants quasiment perpétuels sans supraconducteur !

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On pourrait croire que seuls des supraconducteurs sont susceptibles d'abriter un courant électrique circulant éternellement. Ce serait une erreur comme vient de le démontrer un groupe de chercheurs. La mécanique quantique autorise l'existence de ce genre de courant même dans des métaux normaux.

Un des anneaux de taille nanométrique dans lesquels des courants peuvent s'écouler pendant de très longues durées. Crédit : Jack Harris/Yale University

La découverte de la supraconductivité en 1911 par Gilles Holst et Kamerlingh Onnes était un défi à la théorie des électrons de Lorentz et en particulier au modèle de la conduction de Paul Drude. L'apparition dans certains métaux, au-dessous d'une température critique, d'une phase dans laquelle un courant peut s'écouler sans résistance, et donc sans dissiper d'énergie, ne pouvait en aucune façon s'expliquer à l'aide du modèle d'un gaz d'électrons issu de la théorie cinétique des gaz de Boltzmann.

C'est la mécanique quantique qui donnera plus tard la clé de l'énigme grâce à la théorie BCS. En fait, même la simple conduction normale dans un métal ne s'explique pas vraiment par la théorie de Drude quand on y regarde d'un peu plus près. Là encore, des effets quantiques interviennent en rapport avec ce qu'on appelle les bandes d'énergies dans un solide.

On pensait généralement qu'il fallait qu'un métal devienne supraconducteur pour qu'un courant puisse s'écouler sans résistance et donc sans dissiper d'énergie, pourvu que dure l'effet supraconducteur. Comme il faut en général atteindre des températures d'une dizaine de kelvins, sauf pour les supraconducteurs à hautes températures critiques, en pratique, aucun anneau siège de courants éternels ne pouvait exister.

Cette conclusion a été en partie battue en brèche en 1983 par les physiciens Markus Büttiker, Yoseph Imry et Rolf Landauer. Ces chercheurs prédisent que dans des anneaux en or ou en aluminium de taille micrométrique, des courants presque perpétuels peuvent s'y déplacer sans résistance, à l'instar des électrons autour du noyau d'un atome. A nouveau, ce phénomène s'explique par la magie de la mécanique quantique.

Le champ magnétique permanent trahit la présence d'un courant électrique qui n'en finit pas de tourner en rond

Un article dans Science a dernièrement exposé les résultats d'expériences qui semblent mettre fin à la controverse. Jusqu'à présent, on avait utilisé des Squids, des magnétomètres supraconducteurs très sensibles capables de détecter de faibles champs magnétiques. En effet, les courants circulant dans un anneau doivent engendrer des champs magnétiques, avec des caractéristiques reliées à celles des courants, comme une persistance sur une longue période de temps.

Malgré tout, les résultats obtenus avec les Squids étaient contradictoires. Une équipe de l'Université de Yale a eu l'idée d'utiliser une petite barre métallique de taille nanométrique pour mesurer la force exercée sur elle par le champ magnétique produit par un anneau. Un ordre de grandeur a ainsi été gagné dans la précision des mesures.

Ce gain de précision a bel et bien confirmé les prédictions des chercheurs sur l'existence de courant presque perpétuels dans certaines conditions, même à l'intérieur de métaux non supraconducteurs.

La confirmation de cet étrange phénomène quantique pourrait avoir des répercussions sur notre compréhension des matériaux supraconducteurs et dans la recherche d'un mythique ordinateur quantique performant.

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