La supraconductivité, ce phénomène où les électrons se déplacent sans aucune résistance et sans perte d’énergie, a longtemps fasciné les scientifiques. Récemment, une découverte faite par des chercheurs de l’université américaine de Princeton et de l’Institut national japonais pour la science des matériaux a apporté un nouvel éclairage sur ce sujet complexe. Ils ont observé des phénomènes de chaos quantique inattendus dans des matériaux isolants extrêmement fins, remettant en question les théories établies sur la supraconductivité. L’étude a été publiée dans la revue Nature Physics.
La supraconductivité et ses défis
Les chercheurs ont étudié les fluctuations quantiques spontanées survenant à la transition entre une zone de forte densité électronique et une zone supraconductrice dans un matériau bidimensionnel. Sanfeng Wu de Princeton, l’un des principaux auteurs de l’étude, souligne l’intérêt de comprendre comment une phase supraconductrice peut se transformer en une autre, notamment dans des matériaux très fins et de haute pureté.
En comparaison, dans les fils de cuivre ordinaires, les électrons rencontrent de nombreuses résistances, générant de la chaleur et gaspillant de l’énergie. La supraconductivité, en revanche, permet un mouvement fluide et sans effort des électrons, sans perte d’énergie, ce qui est idéal pour de nombreuses applications technologiques. Cette phase est atteinte lorsque les électrons forment des paires de Cooper et se déplacent sans encombre à travers un matériau.
Toutefois, atteindre cette phase supraconductrice nécessite des températures extrêmement basses, obtenues avec du matériel sophistiqué. Les chercheurs espèrent qu’une meilleure compréhension de la transition quantique et du rôle de la température pourrait réduire ces exigences de refroidissement.
Une découverte révolutionnaire
Dans les matériaux bidimensionnels, la supraconductivité présente des défis uniques. Les électrons dans ces systèmes sont limités à se déplacer dans deux dimensions, ce qui intensifie les fluctuations quantiques et rend la transition vers la supraconductivité plus difficile. Les chercheurs s’intéressent particulièrement à ces systèmes 2D, car ils pourraient révéler des aspects inexplorés de la supraconductivité.
Selon la théorie de la transition BKT, nommée d’après les lauréats du prix Nobel Vadim Berezinskii, John Kosterlitz et David Thouless, ces vortex disparaissent dans les matériaux 2D lorsque la température baisse suffisamment. Pour étudier ce phénomène, l’équipe a utilisé une couche de ditelluride de tungstène, un semi-métal qui devient un isolant à des températures supérieures au zéro absolu.
En ajoutant suffisamment d’électrons, ils ont pu induire une supraconductivité. Cependant, à un certain point, lorsque la densité électronique atteignait un seuil critique, des vortex quantiques apparaissaient, interrompant la supraconductivité. Ce comportement va à l’encontre des théories actuelles. Les chercheurs ont observé que ces vortex quantiques restent stables à des températures et des champs magnétiques plus élevés que ce que les modèles actuels ne le prédisent.
Une nouvelle ère dans la recherche sur la supraconductivité
Les chercheurs ont également constaté que ces fluctuations disparaissaient subitement lorsque la densité électronique diminuait, un phénomène qu’ils n’ont pas encore réussi à expliquer. Cette « mort subite » des fluctuations est un mystère qui défie notre compréhension actuelle de la supraconductivité.
La compréhension approfondie de ces phénomènes pourrait mener à des avancées technologiques significatives, notamment le développement de la supraconductivité à température ambiante. Cela aurait des implications majeures dans de nombreux domaines, de l’électronique à la production d’énergie. Par ailleurs, des physiciens identifient une nouvelle forme étrange de supraconductivité.
