Les transitions de phase se produisent lorsqu'une substance passe d'un solide, l'état liquide ou gazeux à un état différent, comme la fonte de la glace ou la condensation de la vapeur. Au cours de ces transitions de phase, il existe un point auquel le système peut afficher simultanément les propriétés des deux états de la matière. Un effet similaire se produit lorsque des métaux normaux se transforment en supraconducteurs - les caractéristiques fluctuent et les propriétés censées appartenir à un état se répercutent dans l'autre.

Des scientifiques de Harvard ont mis au point un système à base de bismuth, supraconducteur bidimensionnel qui n'a qu'un nanomètre d'épaisseur. En étudiant les fluctuations de ce matériau ultra-mince lors de sa transition vers la supraconductivité, les scientifiques ont mieux compris les processus qui conduisent la supraconductivité de manière plus générale. Parce qu'ils peuvent transporter des courants électriques avec une résistance proche de zéro, au fur et à mesure qu'ils s'améliorent, les matériaux supraconducteurs auront des applications dans pratiquement toutes les technologies utilisant l'électricité.

Les scientifiques de Harvard ont utilisé la nouvelle technologie pour confirmer expérimentalement une théorie des supraconducteurs vieille de 23 ans développée par le scientifique Valerii Vinokur du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE).

Un phénomène d'intérêt pour les scientifiques est l'inversion complète de l'effet Hall bien étudié lors de la transition des matériaux en supraconducteurs. Quand un normal, un matériau non supraconducteur transporte un courant appliqué et est soumis à un champ magnétique, une tension est induite aux bornes du matériau. Cet effet Hall normal fait pointer la tension dans une direction spécifique en fonction de l'orientation du champ et du courant.

De façon intéressante, quand les matériaux deviennent supraconducteurs, le signe de la tension de Hall s'inverse. L'extrémité « positive » du matériau devient la « négative ». C'est un phénomène bien connu. Mais alors que l'effet Hall est depuis longtemps un outil majeur que les scientifiques utilisent pour étudier les types de propriétés électroniques qui font d'un matériau un bon supraconducteur, la cause de cet effet Hall inversé est restée mystérieuse pour les scientifiques pendant des décennies, notamment en ce qui concerne les supraconducteurs à haute température pour lesquels l'effet est plus fort.

En 1996, le théoricien Vinokur, un membre distingué d'Argonne, et ses collègues ont présenté une description complète de cet effet (et plus) dans les supraconducteurs à haute température. La théorie a pris en compte toutes les forces motrices impliquées, et il incluait tellement de variables que le tester expérimentalement semblait irréaliste – jusqu'à présent.

"Nous pensions avoir vraiment résolu ces problèmes, " dit Vinokur, "mais les formules semblaient inutiles à l'époque, car ils incluaient de nombreux paramètres difficiles à comparer avec des expériences utilisant la technologie qui existait à l'époque."

Les scientifiques savaient que l'effet Hall inverse résulte des tourbillons magnétiques qui apparaissent dans le matériau supraconducteur placé dans le champ magnétique. Les vortex sont des points de singularité dans le liquide des électrons supraconducteurs - les paires de Cooper - autour desquels circulent des paires de Cooper, créer des micro-courants supraconducteurs circulants qui apportent des caractéristiques nouvelles dans la physique de l'effet Hall dans le matériau.

Normalement, la distribution des électrons dans le matériau provoque la tension de Hall, mais dans les supraconducteurs, les tourbillons se déplacent sous le courant appliqué, ce qui crée des différences de pression électronique qui sont mathématiquement similaires à celles qui maintiennent un avion en vol. Ces différences de pression modifient le cours du courant appliqué comme les ailes d'un avion modifient le cours de l'air qui passe, élever l'avion. Le mouvement du vortex redistribue les électrons différemment, changer la direction de la tension de Hall à l'opposé de la tension de Hall purement électronique habituelle.

La théorie de 1996 a décrit quantitativement les effets de ces tourbillons, qui n'avait été compris que qualitativement. Maintenant, avec un nouveau matériau que les scientifiques de Harvard ont mis cinq ans à développer, la théorie a été testée et confirmée.

Le matériau mince à base de bismuth n'a pratiquement qu'une seule couche atomique d'épaisseur, le rendant essentiellement bidimensionnel. C'est l'un des seuls du genre, un supraconducteur à haute température en couche mince ; la production du seul matériau est une percée technologique dans la science des supraconducteurs.

"En réduisant les dimensions de trois à deux, les fluctuations des propriétés du matériau deviennent beaucoup plus apparentes et plus faciles à étudier, " a déclaré Philip Kim, un scientifique principal du groupe Harvard. "Nous avons créé une forme extrême du matériel qui nous a permis d'aborder quantitativement la théorie de 1996."

Une prédiction de la théorie était que l'effet Hall inverse anormal pourrait exister en dehors des températures auxquelles le matériau est un supraconducteur. Cette étude a offert une description quantitative de l'effet qui correspondait parfaitement aux prédictions théoriques.

"Avant d'être sûrs du rôle que jouent les vortex dans l'effet Hall inverse, nous ne pouvions pas l'utiliser de manière fiable comme outil de mesure, " dit Vinokur. " Maintenant que nous savons que nous avions raison, nous pouvons utiliser la théorie pour étudier d'autres fluctuations dans la phase de transition, menant finalement à une meilleure compréhension des supraconducteurs."

Bien que le matériau de cette étude soit bidimensionnel, les scientifiques pensent que la théorie s'applique à tous les supraconducteurs. Les recherches futures comprendront une étude plus approfondie des matériaux - le comportement des tourbillons a même une application dans la recherche mathématique.

Les vortex sont des exemples d'objets topologiques, ou des objets aux propriétés géométriques uniques. Ils sont actuellement un sujet populaire en mathématiques en raison de la façon dont ils se forment et se déforment et de la façon dont ils modifient les propriétés d'un matériau. Les théories de 1996 utilisaient la topologie pour décrire le comportement des tourbillons, et les propriétés topologiques de la matière pourraient apporter beaucoup de nouvelles physiques.

"Parfois, vous découvrez quelque chose de nouveau et d'exotique, " a déclaré Vinokur à propos de la recherche, "mais parfois vous confirmez simplement que vous le faites, après tout, comprendre le comportement de la chose de tous les jours qui est juste devant vous."

Un article décrivant les résultats de l'étude, intitulé " Effet Hall inversant le signe dans les supraconducteurs atomiquement minces à haute température, " a été publié le 21 juin dans Lettres d'examen physique .