Des images en lumière polarisée montrent aux chercheurs comment les électrons, représenté par des croix rouges, dans leurs échantillons d'essai se comportent dans des circonstances différentes. Crédit :© 2020 Okazaki et al.
La supraconductivité est un phénomène dans lequel un circuit électrique perd sa résistance et devient extrêmement efficace dans certaines conditions. Cela peut se produire de différentes manières, qui étaient considérés comme incompatibles. Pour la première fois, des chercheurs ont découvert un pont entre deux de ces méthodes pour atteindre la supraconductivité. Ces nouvelles connaissances pourraient conduire à une compréhension plus générale du phénomène, et un jour aux applications.
Il existe trois états bien connus de la matière :solide, liquide et gazeux. Il existe un quatrième état de la matière appelé plasma, qui est comme un gaz qui est devenu si chaud que tous ses atomes constitutifs se sont séparés, laissant derrière lui un gâchis super chaud de particules subatomiques. Mais il existe un cinquième état de la matière à l'extrémité opposée du thermomètre, connu sous le nom de condensat de Bose-Einstein (BEC).
"Un BEC est un état unique de la matière car il n'est pas constitué de particules, mais plutôt des vagues, ", a déclaré le professeur agrégé Kozo Okazaki de l'Institut de physique des solides de l'Université de Tokyo. "Alors qu'ils se refroidissent à près du zéro absolu, les atomes de certains matériaux s'étalent dans l'espace. Ce maculage augmente jusqu'à ce que les atomes - maintenant plus comme des vagues que des particules - se chevauchent, deviennent indiscernables les uns des autres. La matière résultante se comporte comme s'il s'agissait d'une seule entité avec de nouvelles propriétés du solide précédent, états liquide ou gazeux manquants, comme la supraconduction. Jusqu'à récemment, les BEC supraconducteurs étaient purement théoriques, mais nous l'avons maintenant démontré en laboratoire avec un nouveau matériau à base de fer et de sélénium (un élément non métallique)."
C'est la première fois qu'un BEC a été vérifié expérimentalement pour fonctionner comme un supraconducteur; cependant, autres manifestations de la matière, ou régimes, peut également donner lieu à une supraconduction. Le régime de Bardeen-Cooper-Shrieffer (BCS) est un arrangement de matière tel que lorsqu'il est refroidi à près du zéro absolu, les atomes constitutifs ralentissent et s'alignent, ce qui permet aux électrons de passer plus facilement. Cela ramène effectivement à zéro la résistance électrique de ces matériaux. BCS et BEC nécessitent des conditions de froid glacial et les deux impliquent un ralentissement des atomes. Mais ces régimes sont par ailleurs assez différents. Pendant longtemps, les chercheurs ont cru qu'une compréhension plus générale de la supraconduction pourrait être atteinte si ces régimes pouvaient se chevaucher d'une manière ou d'une autre.
Ces lignes colorées ne sont pas seulement pour le spectacle, ils indiquent aux chercheurs en dessous de quelle température, dans ce cas environ 10 kelvins, un échantillon présente un comportement supraconducteur. Crédit :© 2020 Okazaki et al.
« Démontrer la supraconductivité des BEC était un moyen pour parvenir à une fin ; nous espérions vraiment explorer le chevauchement entre les BEC et les BCS, " a déclaré Okazaki. " C'était extrêmement difficile, mais notre appareil et notre méthode d'observation uniques l'ont vérifié - il y a une transition en douceur entre ces régimes. Et cela fait allusion à une théorie sous-jacente plus générale derrière la supraconduction. C'est une période passionnante pour travailler dans ce domaine."
Okazaki et son équipe ont utilisé la méthode de spectroscopie de photoémission laser à ultrabasse température et à haute résolution d'énergie pour observer le comportement des électrons lors de la transition d'un matériau de BCS à BEC. Les électrons se comportent différemment dans les deux régimes et le changement entre eux aide à combler certaines lacunes dans l'image plus large de la supraconduction.
La supraconduction n'est cependant pas seulement une curiosité de laboratoire; les dispositifs supraconducteurs tels que les électro-aimants sont déjà utilisés dans des applications, le grand collisionneur de hadrons, le plus grand accélérateur de particules au monde, étant un tel exemple. Cependant, comme expliqué ci-dessus, ceux-ci nécessitent des températures ultra-froides qui interdisent le développement de dispositifs supraconducteurs que l'on pourrait s'attendre à voir tous les jours. Il n'est donc pas surprenant qu'il y ait un grand intérêt à trouver des moyens de former des supraconducteurs à des températures plus élevées, peut-être même un jour à température ambiante.
"Avec des preuves concluantes de BEC supraconducteurs, Je pense que cela incitera d'autres chercheurs à explorer la supraconduction à des températures de plus en plus élevées, " a déclaré Okazaki. " Cela peut ressembler à de la science-fiction pour l'instant, mais si la supraconduction peut se produire près de la température ambiante, notre capacité à produire de l'énergie augmenterait considérablement, et nos besoins énergétiques diminueraient."
