La supraconductivité se produit lorsque les électrons d’un métal se rassemblent en paires et se déplacent dans le matériau sans résistance. Cependant, des scientifiques allemands ont découvert que les électrons peuvent également se regrouper en familles de quatre, créant ainsi un nouvel état de la matière et, potentiellement, un nouveau type de supraconductivité.
Des familles de quatre électrons
La conductivité caractérise la facilité avec laquelle les électrons (et donc l’électricité) peuvent se déplacer dans un matériau. Mais même dans les matériaux connus pour être de bons conducteurs (comme l’or), les électrons rencontrent toujours une certaine résistance. Les supraconducteurs, en revanche, suppriment toutes ces barrières et offrent une résistance nulle à des températures ultra-froides.
Si les électrons peuvent se déplacer si facilement dans les supraconducteurs, c’est parce qu’ils s’associent via un effet quantique connu sous le nom d’appariement de Cooper. Ce faisant, ils augmentent la quantité minimale d’énergie nécessaire pour interférer avec les électrons. Si le matériau se révèle suffisamment froid, ses atomes n’auront pas assez d’énergie thermique pour perturber ces paires de Cooper, permettant ainsi aux électrons de circuler librement, sans perte d’énergie.
Dans le cadre de travaux récemment publiés dans la revue Nature Physics, des chercheurs des universités de Dresde et de Würzburg, en Allemagne, ont fait une découverte fascinante. Il s’est avéré que pour un type particulier de supraconducteur, les paires de Cooper s’associaient elles-mêmes, formant des familles de quatre électrons.
« Nous avons d’abord cru qu’il s’agissait d’une erreur de mesure », explique Henning Klauss, auteur principal de l’étude. « Mais plus nous utilisions de méthodes pour confirmer le résultat, plus il devenait évident qu’il devait s’agir d’un nouveau phénomène. Nous savons maintenant que la famille d’électrons à quatre particules de certains métaux crée un état totalement nouveau de la matière lorsqu’elle est refroidie à des températures ultra-basses. »
Une potentielle nouvelle branche de la supraconductivité
La découverte concerne un métal supraconducteur contenant du baryum, du potassium, du fer et de l’arsenic, d’une classe connue sous le nom de pnictures de fer. Si un tel phénomène avait été prédit théoriquement il y a environ dix ans, aucune preuve expérimentale n’avait été apportée jusqu’à présent. Les chercheurs ont ensuite passé deux ans à confirmer leur découverte, en utilisant sept méthodes différentes.
Selon l’équipe, ces familles d’électrons pourraient représenter une nouvelle branche de la supraconductivité et permettent d’envisager un vaste éventail de dispositifs avancés l’exploitant. Mais d’ici là, il reste encore beaucoup de travail à faire pour comprendre comment elles fonctionnent, dans quels matériaux elles sont présentes et comment elles peuvent être invoquées.
« On peut supposer que nos résultats conduiront à une toute nouvelle ligne de recherche, visant à identifier d’autres métaux avec quatre électrons connectés, ou à explorer comment les matériaux doivent être modifiés pour créer une famille d’électrons », estime Klauss. « Un tout nouveau type de supraconductivité serait également théoriquement possible avec notre famille d’électrons. La seule chose qui est certaine, c’est que les pnictures de fer sont bien adaptés aux technologies telles que les capteurs quantiques en raison de leur nouvel état d’agrégation. »