Percée de la supraconductivité : des atomes « à l’état de bord » circulent sans frottement

Des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont réussi une prouesse scientifique majeure en parvenant à manipuler des atomes pour qu’ils entrent dans un état exotique connu sous le nom d’« état de bord ». Ce phénomène leur permet de se déplacer sans subir de frottement, une percée qui pourrait ouvrir la voie à la création de matériaux supraconducteurs encore plus performants. Les résultats de cette découverte sont publiés dans la revue Nature Physics.

Supraconductivité et circulation des électrons

Dans le monde de la physique des matériaux, les électrons se déplacent de manière différente en fonction du matériau dans lequel ils se trouvent. Les isolants, par exemple, restreignent presque totalement le mouvement des électrons, tandis que les semi-conducteurs leur permettent une certaine mobilité, et les conducteurs offrent encore plus de liberté. Cependant, ce sont les matériaux supraconducteurs qui se distinguent par leur capacité à permettre un mouvement d’électrons sans aucune résistance.

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Ce phénomène de supraconductivité présente des perspectives très prometteuses. En effet, de tels matériaux pourraient non seulement permettre de transmettre des données et de l’énergie à une vitesse extrêmement rapide, mais aussi générer des champs électromagnétiques si puissants qu’ils pourraient faire léviter des objets, un aspect qui pourrait révolutionner les transports à grande vitesse.

Toutefois, l’étude du comportement des électrons dans ces matériaux est loin d’être simple. Les électrons sont des particules subatomiques très petites et se déplacent à des vitesses extrêmement élevées, ce qui rend leur observation directe difficile. Afin de contourner cet obstacle, les chercheurs du MIT ont choisi d’étudier un phénomène similaire chez des atomes, qui sont bien plus grands et se déplacent plus lentement que les électrons, facilitant ainsi leur observation.

Les « états de bord » 

L’étude se concentre sur un type particulier de supraconductivité appelé les « états de bord ». Dans certains matériaux, au lieu de se déplacer librement dans l’ensemble de la matière, les électrons sont confinés aux bords du matériau, où ils circulent sans aucune friction. Ce comportement est remarquable car même en présence d’obstacles sur leur chemin, les électrons dans ces états particuliers ne rebondissent pas, mais contournent ces obstacles avec une facilité déconcertante.

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Dans les systèmes électroniques, ces états se produisent à des échelles temporelles extrêmement courtes, de l’ordre de la femtoseconde (un quadrillionième de seconde), et sur des distances très petites, mesurées en fractions de nanomètre. Ces conditions rendent l’observation des électrons difficile. En revanche, chez les atomes, les mêmes phénomènes peuvent être observés à des échelles bien plus longues et sur des distances plus grandes, ce qui les rend bien plus faciles à étudier.

Les chercheurs ont piégé environ un million d’atomes de sodium dans un champ de lasers à des températures proches du zéro absolu et les ont fait tourner à grande vitesse dans un cercle. Comme l’explique Richard Fletcher, co-auteur de l’étude, plusieurs forces étaient en jeu dans ce système. « Le piège laser exerce une force qui attire les atomes vers le centre, tandis qu’une force centrifuge les pousse vers l’extérieur. Ces deux forces s’équilibrent, donnant aux atomes l’illusion qu’ils évoluent dans un espace plat, même si tout autour d’eux tourne. » Une autre force, connue sous le nom d’effet de Coriolis, dévie les atomes lorsqu’ils tentent de se déplacer en ligne droite, les faisant ressembler à des électrons évoluant dans un champ magnétique.

Les chercheurs ont ensuite créé un « bord » en utilisant un anneau de lumière laser qui formait une sorte de mur autour de la périphérie du système. Lorsqu’un atome atteignait ce bord, il y restait confiné, se déplaçant librement et sans friction tout autour du bord, dans une seule direction.

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La réponse des atomes aux obstacles

Pour tester davantage leur théorie, les scientifiques ont introduit des perturbations sous forme de points lumineux dans le chemin des atomes, simulant ainsi des obstacles. Contre toute attente, les atomes n’ont pas rebondi sur ces obstacles comme prévu ; au contraire, ils les ont contournés avec aisance, retrouvant immédiatement leur place le long du bord et poursuivant leur trajet comme si de rien n’était.

Richard Fletcher explique ce phénomène étonnant : « Nous avons intentionnellement introduit un obstacle répulsif massif, et normalement, les atomes auraient dû rebondir. Mais ce que nous avons observé, c’est qu’ils l’ont contourné avec une aisance presque magique, revenant immédiatement au mur et poursuivant leur route. »

Grâce à cette expérience, les chercheurs ont pu observer directement, et pour la première fois, un comportement des atomes qui reflète celui des électrons dans les états de bord. Cette réalisation offre une nouvelle perspective sur l’étude de la supraconductivité et pourrait servir de modèle pour tester de nouvelles théories. Par ailleurs, des chercheurs annoncent la création d’un supraconducteur à température et pression ambiantes.

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