Les Squid, des supraconducteurs pour étudier Big Bang et inflation

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 tunneleffet tunnel quantique particulier avec les supraconducteurssupraconducteurs. Elle avait été faite par Brian Josephson en 1962. Le chercheur, futur prix Nobel de physiquephysique, 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 métalmétal conducteur normal (jonction S-M-S). En associant deux jonctions pour former une boucle, on obtient des Squid. Ce sont les magnétomètresmagnétomètres 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 magnétoencéphalographiemagnétoencéphalographie (MEG). Il faut toutefois souvent refroidir ces dispositifs en dessous de quatre kelvinskelvins avec de l'hélium liquideliquide, bien que certains Squid puissent fonctionner à des températures plus élevées ne nécessitant que de l'azoteazote 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 télescopetélescope en AntarctiqueAntarctique 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 fossilerayonnement fossile. La distribution de cette polarisation sur la voûte céleste est décrite par ce qu'on appelle des modes Bmodes 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 BangBig 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 photonsphotons du rayonnement fossile, dérivent de ceux qui sont employés pour chasser la matière noirematière noire avec les détecteurs de la collaboration CDMS. Ils ont été fabriqués par des membres du National Institute of Standards and Technology (NISTNIST) à Boulder, dans le Colorado.