Le monde de l'autre côté du miroir d'Alice au pays des merveilles n'est pas ce qu'il paraît, mais la physique semblable à un miroir de la transition supraconducteur-isolant fonctionne exactement comme prévu.

Les scientifiques savent que cela est vrai suite à l'observation d'un phénomène remarquable, dont l'existence avait été prédite il y a trois décennies mais qui avait jusqu'à présent échappé à la détection expérimentale. L'observation confirme que les états quantiques fondamentaux, supraconductivité et superisolation, les deux apparaissent dans des images miroir l'un de l'autre, ce qui pourrait conduire au développement de capteurs supersensibles et économes en énergie, détecteurs et commutateurs logiques pour la science et la communication, stockage de mémoire et d'autres technologies émergentes.

"Le comportement que nous avons démontré est exactement le comportement qui a été prédit et attendu, " dit Valerii Vinokur, Argonne Distinguished Fellow dans la division Science des matériaux du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE).

Vinokur et ses collègues ont observé le phénomène, appelé transition de charge Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT), dans un film microscopiquement mince de nitrite de titane niobium supraconducteur. La transition de charge BKT est la contrepartie semblable à un miroir de la transition vortex BKT que les scientifiques ont observée à plusieurs reprises dans les matériaux supraconducteurs. Vinokur et ses collaborateurs du California Institute of Technology et de l'Université de Novossibirsk en Russie ont publié leurs conclusions en ligne le 6 mars. 2018, dans Rapports scientifiques .

« Les expériences menées par notre équipe établissent de façon concluante l'existence de l'état superisolant et la validité de ses concepts fondateurs, y compris le concept fondamental de dualité charge-vortex, " dit Vinokur, qui est également Senior Fellow au Computation Institute de l'Université de Chicago. "Les concepts de base derrière notre connaissance de l'univers à son niveau le plus profond sont basés sur le concept de dualité."

Le concept de dualité en physique soutient que les ensembles fondamentaux de phénomènes s'excluent apparemment les uns les autres mais représentent les deux faces d'une pièce. L'exemple le plus connu de dualité est la dualité onde-particule de la lumière apparaissant dans le domaine quantique. Matériaux superisolants et supraconducteurs, qui sont exactement opposés, réaliser la dualité entre les effets électriques et magnétiques. Au lieu de transmettre du courant électrique sans aucune perte de puissance, comme le font les supraconducteurs, les superisolants arrêtent complètement le flux de charges sous une tension appliquée. Cela signifie que les supraconducteurs en miroir ont une conductance infinie, tandis que les superisolants ont une résistance infinie.

La dernière découverte s'appuie sur les travaux publiés en 2008 par Vinokur et ses associés qui ont établi expérimentalement l'existence de l'état superisolant, tout en proposant également qu'il « reflète » le comportement qui se produit dans l'état supraconducteur, le dérivant du concept quantique le plus fondamental, le principe d'incertitude. Des physiciens théoriciens du CERN (le laboratoire européen de physique des particules), l'Université de Genève et l'Université de Pérouse—Cristina Diamantini, Carlo Trugenberger et Pascuale Sodano — avaient prédit l'existence de cet état superisolant, double à la supraconductivité, en 1996. Mais la découverte de l'état superisolant était si inattendue que l'équipe de Vinokur ignorait initialement la prédiction.

La transition BKT qui est à la base de la dualité supraconducteur-isolant porte le nom de feu Vadim Berezinskii, Michael Kosterlitz et David Thouless. Kosterlitz et Thouless ont collaboré au début des années 1970 pour développer leur théorie des transitions de phase topologiques, qui sont assez différentes des transitions de phase qui étaient communément connues dans la pratique quotidienne de la physique à l'époque.

Ces transitions de phase habituelles se manifestent par un changement brutal de l'état de la matière tel que la fonte de la glace en eau, ou de l'eau bouillante à la vapeur, à une certaine température critique. Les transitions de phases topologiques sont un peu comme dénouer les nœuds d'une cravate, toutefois. "Vous avez un changement clair dans les propriétés du système sans apporter de modifications matérielles visibles dans les propriétés de la cravate, " dit Vinokur.

Berezinskii avait développé indépendamment des idées similaires, menant finalement à de nombreuses observations de transitions vortex BKT dans des milliers d'expériences de supraconductivité au cours des décennies. Cependant, jusqu'à maintenant, les scientifiques n'avaient jamais observé de manière concluante la réflexion en miroir de la transition vortex BKT - la transition de charge BKT - du côté superisolant de la transition supraconducteur-isolant.

Kosterlitz, Thouless et Duncan Haldane ont partagé le prix Nobel de physique 2016 pour « les découvertes théoriques des transitions de phase topologiques et des phases topologiques de la matière, " ayant développé les méthodes mathématiques avancées nécessaires pour expliquer les transitions de phase qui se produisent dans des états inhabituels de la matière, y compris les matériaux supraconducteurs et les films magnétiques minces.

Une future voie de recherche pour Vinokur et ses collègues sera d'augmenter la température à laquelle leur composé de nitrite de titane et de niobium passe à l'état superisolant. La température de transition est maintenant comprise entre 100 et 200 millikelvin, qui est juste une fraction de degré au-dessus du zéro absolu (moins 459,6 degrés Fahrenheit). Mais élever la température de transition à 4 kelvins (moins 452,4 degrés Fahrenheit) constituerait une avancée technologique.

"Cela signifie que nous pourrions utiliser ces matériaux dans l'espace, parce que 4 Kelvin est la température de l'espace, ", a déclaré Vinokur. Les applications spatiales possibles de ces matériaux superisolants incluent des détecteurs supersensibles pour mesurer le rayonnement électromagnétique et d'autres phénomènes, et interrupteurs pour appareils électroniques, comme les diodes à économie d'énergie.