Dans certaines circonstances, des électrons peuvent former des paires et se mettre à glisser sans effort dans des matériaux appelés supraconducteurs, leur permettant ainsi de conduire le courant électrique sans résistance. Des physiciens de l’université de Brown (États-Unis) prouvent aujourd’hui que ces paires quantiques – connues sous le nom de « paires de Cooper » – sont également capables d’agir comme un nouvel état de la matière. © Peter Jurik, Adobe Stock

Sciences

Encore un nouvel état de la matière

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En 1972, Leon Cooper, physicien à l'université de Brown (États-Unis), a été récompensé par le prestigieux prix Nobel pour sa description du rôle des paires de Cooper dans le phénomène de supraconductivité. Et d'autres chercheurs de la même université viennent de mettre à jour un nouvel état de la matière basé sur ces mêmes paires de Cooper.

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L'existence de ce que les physiciens appellent des paires de Cooper a été postulée dans les années 1950, pour expliquer le phénomène de supraconductivité. En effet, la théorie veut qu'une paire de Cooper soit constituée de deux électrons, des fermions de spin ½ soumis au principe d'exclusion de Pauli. Ainsi réunis, ils forment une quasi-particule de type boson. Une quasi-particule de spin entier et donc susceptible de coordonner ses mouvements avec d'autres paires semblables de manière à réduire la résistance d'un matériau à zéro.

Depuis 2007, les chercheurs considéraient ces paires de Cooper comme des sortes de quasi-particules à deux faces. Pile, elles se déplacent en toute liberté. C'est la caractéristique de la supraconduction. Face, elles sont totalement bloquées dans un matériau très mince qui devient alors isolant. Mais des chercheurs de l'université de Brown (États-Unis) viennent de montrer que, comme les métaux classiques, les paires de Cooper peuvent également conduire l'électricité avec une résistance donnée. Un résultat qui les mène à décrire un tout nouvel état de la matière.

Les paires de Cooper sont effectivement responsables

« Il avait déjà été prouvé que cet état métallique se formerait dans les supraconducteurs en couche mince à mesure qu'ils refroidiraient jusqu'à leur température critique, mais la question de savoir si cet état impliquait des paires de Cooper restait une question ouverte, explique Jim Valles, physicienNous avons développé une technique qui nous permet de répondre à cette question : les paires de Cooper sont effectivement responsables du transport de la charge dans cet état métallique. »

Au microscope électronique à balayage, le matériau supraconducteur utilisé dans l’expérience menée par les physiciens de l’université de Brown (États-Unis). © Valles lab, université de Brown

Un supraconducteur à haute température plus simple à étudier

La technique en question repose sur un supraconducteur à haute température en couche mince - en l'occurrence, un oxyde mixte de baryum, de cuivre et d'yttrium (YBCO) - parsemé de réseaux de trous nanométriques. Lorsqu'un courant circule dans ce matériau et qu'il est exposé à un champ magnétique, les porteurs de charge se mettent à orbiter autour des trous. Et il est possible de mesurer la fréquence à laquelle ils tournent ainsi. Une fréquence que les physiciens montrent compatible avec le fait que deux électrons et non pas un seul soient impliqués.

Cependant les chercheurs ignorent encore tout du mécanisme physique sous-jacent. Ils s'en étonnent d'autant plus que certains éléments de la mécanique quantique suggèrent qu'il ne devrait pas être possible. Ainsi des travaux supplémentaires seront-ils nécessaires pour mieux le comprendre.

Par chance, et comme indiqué plus haut, les YBCO sont des supraconducteurs à haute température. Celui étudié ici devient supraconducteur dès -181 °C et entre dans le nouvel état décrit par les physiciens de l'université de Brown à une température juste supérieure à celle-ci. De quoi faciliter l'utilisation de techniques de spectroscopie ou autres et mieux comprendre cet état complètement nouveau. Que les physiciens imaginent toutefois déjà exploiter pour de nouveaux types d'appareils électroniques.

  • Le phénomène de supraconductivité peut s’expliquer par l’apparition de ce que les physiciens appellent des paires de Cooper, des associations quantiques entre électrons.
  • Et les chercheurs viennent de découvrir que ces paires de Cooper sont aussi impliquées dans un tout nouvel état de la matière.
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