Pendant des années, les physiciens ont supposé que les paires de Cooper, les duos d'électrons qui permettent aux supraconducteurs de conduire l'électricité sans résistance, étaient des poneys à deux tours. Les paires glissent librement, créer un état supraconducteur, ou créer un état isolant par coincement au sein d'un matériau, incapable de bouger du tout.

Mais dans un nouvel article publié dans Science , une équipe de chercheurs a montré que les paires de Cooper peuvent également conduire l'électricité avec une certaine résistance, comme le font les métaux ordinaires. Les découvertes décrivent un état de la matière entièrement nouveau, disent les chercheurs, cela nécessitera une nouvelle explication théorique.

"Il y avait eu des preuves que cet état métallique se produirait dans les supraconducteurs à couche mince lorsqu'ils étaient refroidis vers leur température supraconductrice, mais si oui ou non cet état impliquait des paires de Cooper était une question ouverte, " a déclaré Jim Valles, professeur de physique à l'Université Brown et auteur correspondant de l'étude. "Nous avons développé une technique qui nous permet de tester cette question et nous avons montré que, En effet, Les paires de Cooper sont responsables du transport de la charge dans cet état métallique. Ce qui est intéressant, c'est que personne n'est tout à fait sûr à un niveau fondamental de la façon dont ils font cela, cette découverte nécessitera donc des travaux plus théoriques et expérimentaux pour comprendre exactement ce qui se passe."

Les paires de Cooper portent le nom de Leon Cooper, un professeur de physique à Brown qui a remporté le prix Nobel en 1972 pour avoir décrit leur rôle dans l'activation de la supraconductivité. La résistance est créée lorsque les électrons vibrent dans le réseau atomique d'un matériau lorsqu'ils se déplacent. Mais quand les électrons se réunissent pour devenir des paires de Cooper, ils subissent une transformation remarquable. Les électrons en eux-mêmes sont des fermions, particules obéissant au principe d'exclusion de Pauli, ce qui signifie que chaque électron a tendance à garder son propre état quantique. paires de tonnelier, cependant, agissent comme des bosons, qui peuvent heureusement partager le même état. Ce comportement bosonique permet aux paires de Cooper de coordonner leurs mouvements avec d'autres ensembles de paires de Cooper de manière à réduire la résistance à zéro.

En 2007, Vallées, travailler avec le professeur d'ingénierie et de physique Brown Jimmy Xu, ont montré que les paires de Cooper pouvaient également produire des états isolants ainsi que de la supraconductivité. Dans des matériaux très fins, plutôt que de bouger de concert, les paires conspirent pour rester en place, échoué sur de minuscules îles dans un matériau et incapable de sauter sur l'île suivante.

Pour cette nouvelle étude, Vallées, Xu et ses collègues en Chine ont recherché des paires de Cooper à l'état métallique non supraconducteur en utilisant une technique similaire à celle qui a révélé les isolants de paire de Cooper. La technique consiste à modeler un supraconducteur à couche mince - dans ce cas un supraconducteur à haute température en oxyde d'yttrium baryum cuivre (YBCO) - avec des réseaux de petits trous. Lorsque le matériau est parcouru par un courant et est exposé à un champ magnétique, les porteurs de charge dans le matériau orbiteront autour des trous comme de l'eau encerclant un drain.

"Nous pouvons mesurer la fréquence à laquelle ces charges tournent, " dit Valles. " Dans ce cas, nous avons constaté que la fréquence est cohérente avec le fait qu'il y a deux électrons qui circulent à la fois au lieu d'un seul. Nous pouvons donc conclure que les porteurs de charge dans cet état sont des paires de Cooper et non des électrons uniques."

L'idée que des paires de Cooper de type boson soient responsables de cet état métallique est quelque peu surprenante, disent les chercheurs, car il y a des éléments de la théorie quantique qui suggèrent que cela ne devrait pas être possible. Donc comprendre ce qui se passe dans cet état pourrait conduire à une nouvelle physique passionnante, mais des recherches supplémentaires seront nécessaires.

Heureusement, disent les chercheurs, le fait que ce phénomène ait été détecté dans un supraconducteur à haute température rendra les recherches futures plus pratiques. YBCO commence à être supraconducteur à environ -181 degrés Celsius, et la phase métallique commence à des températures juste au-dessus. C'est assez froid, mais c'est beaucoup plus chaud que les autres supraconducteurs, qui sont actifs juste au-dessus du zéro absolu. Cette température plus élevée facilite l'utilisation de la spectroscopie et d'autres techniques visant à mieux comprendre ce qui se passe dans cette phase métallique.

En bas de la route, disent les chercheurs, il pourrait être possible d'exploiter cet état métallique bosonique pour de nouveaux types d'appareils électroniques.

"Le problème avec les bosons, c'est qu'ils ont tendance à être dans un état plus ondulatoire que les électrons, donc nous disons qu'ils ont une phase et créent des interférences de la même manière que la lumière, " a déclaré Valles. " Il pourrait donc y avoir de nouvelles modalités pour déplacer la charge dans les appareils en jouant avec les interférences entre les bosons. "

Mais pour l'instant, les chercheurs sont heureux d'avoir découvert un nouvel état de la matière.

« La science se construit sur les découvertes, " Xu a dit, "et c'est génial d'avoir découvert quelque chose de complètement nouveau."