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Les Squid, des supraconducteurs pour étudier Big Bang et inflation

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Les membres de la collaboration Bicep2 pensent avoir découvert dans le rayonnement fossile les traces des ondes gravitationnelles prédites par la théorie de l'inflation. Si tel est bien le cas, cela n'aura été possible que grâce aux développements de la technologie des Squid (superconducting quantum interference devices), capables de mesurer des champs magnétiques très faibles. On célèbre cette année le cinquantenaire de leur découverte.

Au cœur du radiotélescope Bicep2, on trouve ce dispositif refroidi en dessous d’un kelvin. Il contient des capteurs associés à 2.000 Squid. Ils servent à amplifier le signal laissé dans des capteurs utilisés pour étudier la polarisation de la plus vieille lumière du monde, celle du rayonnement fossile. Paradoxalement, la cryogénie et la supraconductivité à basse température nous permettent d'étudier la fournaise du Big Bang. © Anthony Turner, JPL

L'invention des Squid (Superconducting quantum interference devices) a été annoncée dans un article en 1964 par Robert Jaklevic, John J. Lambe, James Mercereau et Arnold Silver qui travaillaient alors aux Ford Research Labs. Il n'a donc pas fallu longtemps pour que l'on exploite la découverte théorique d'un effet tunnel quantique particulier avec les supraconducteurs. Elle avait été faite par Brian Josephson en 1962. Le chercheur, futur prix Nobel de physique, n'avait alors que 22 ans. Les Squid n'ont cependant pu voir le jour que grâce aux travaux d'un autre prix Nobel, Philip Anderson. Avec son collègue John Rowell des Bell Labs, Anderson avait en effet réalisé la première jonction Josephson en 1963.

Ce Squid, large de moins de deux microns, est formé de deux supraconducteurs séparés par deux isolants. © Groupe Physique mésoscopique, LPS, Orsay

Une jonction Josephson est constituée de deux supraconducteurs séparés par une très fine couche d'isolant électrique (jonction S-I-S) ou un métal conducteur normal (jonction S-M-S). En associant deux jonctions pour former une boucle, on obtient des Squid. Ce sont les magnétomètres les plus sensibles du monde, et ils peuvent servir comme amplificateurs de signal particulièrement efficaces. Ils sont devenus précieux dans le domaine du biomagnétisme en médecine. James Zimmerman a ainsi utilisé des Squid pour réaliser les premiers magnétocardiogrammes (MCG) performants, ainsi que pour développer la magnétoencéphalographie (MEG). Il faut toutefois souvent refroidir ces dispositifs en dessous de quatre kelvins avec de l'hélium liquide, bien que certains Squid puissent fonctionner à des températures plus élevées ne nécessitant que de l'azote liquide.

James Edward Zimmerman (1923-1999) a été co-inventeur du dispositif d'interférence quantique supraconducteur à haute fréquence (RF-Squid). On lui attribue aussi le terme de Squid (Superconducting quantum interference device en anglais). © NIST

Après la médecine, des Squid pour la cosmologie

Il semble que les Squid soient en train de nous permettre de percer certains secrets parmi les plus fondamentaux de la nature. En effet, le 17 mars 2014, les membres de la collaboration Bicep2 (une expérience avec un télescope en Antarctique observant dans le domaine des micro-ondes) ont annoncé qu'ils avaient observé et mesuré avec ces dispositifs un état de polarisation bien particulier du rayonnement fossile. La distribution de cette polarisation sur la voûte céleste est décrite par ce qu'on appelle des modes B. En l'occurrence, l'existence de ces modes B est reliée à la production quantique d'ondes gravitationnelles au tout début du Big Bang, lors d'une phase d'expansion très rapide et très forte de l'espace que l'on appelle l'inflation. Si les chercheurs ont raison, des Squid refroidis en dessous de 1 K ont donc permis de déterminer ce qui se passait environ 10-37 seconde après l'hypothétique temps zéro du Big Bang, alors que les températures devaient être de l'ordre de 1028 K !

Remarquablement, ces Squid, qui ont servi à amplifier le signal électrique généré par des détecteurs de photons du rayonnement fossile, dérivent de ceux qui sont employés pour chasser la matière noire avec les détecteurs de la collaboration CDMS. Ils ont été fabriqués par des membres du National Institute of Standards and Technology (NIST) à Boulder, dans le Colorado.

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