Des mesures sur un matériau supraconducteur montrent une transition brutale entre un métal normal et un métal « étrange ». La chose vraiment étrange, cependant, est que cette brusquerie disparaît lorsque la température baisse. "Nous n'avons pas de machine théorique pour cela, " dit le physicien théoricien Jan Zaanen, co-auteur d'un Science article, "C'est quelque chose que seul un ordinateur quantique peut calculer."

Les supraconducteurs réservent des surprises depuis plus d'un siècle. En 1911, Heike Kamerlingh Onnes à Leiden a découvert que le mercure conduit le courant électrique sans aucune résistance à 4,2 Kelvin (4,5 degrés au-dessus du zéro absolu, ou -273,15 degrés Celsius).

Le phénomène ne s'expliqua qu'en 1957, et en 1986, un nouveau type de supraconductivité a été découvert dans des oxydes de cuivre complexes. Cette supraconductivité à haute température survit même à des températures douces de 92 Kelvin.

S'il pouvait être étendu vers la température ambiante, la supraconductivité signifierait des applications technologiques sans précédent, mais si loin, le phénomène a esquivé une explication complète. Ce n'est pas faute d'efforts de la part de physiciens comme Jan Zaanen, co-auteur et théoricien de la maison avec un groupe de physiciens expérimentateurs de Stanford qui a publié un article dans Science .

Métal étrange

"Je suppose que cela fera une impression, " Zaanen écrit à propos de la publication. " Même pour Science normes, ce n'est pas un article banal."

Depuis 1957, on sait que la supraconductivité est causée par des électrons formant des paires, qui peut naviguer à travers un cristal sans entrave. Cela ne se produit qu'en dessous d'une température critique, Tc. Cependant, même au-dessus de cette température, les supraconducteurs à haute Tc présentent un comportement étrange. Dans cette étrange phase métallique, les électrons ne se comportent pas comme des particules largement indépendantes, comme ils le font dans les métaux normaux, mais comme des collectifs.

Sudi Chen et ses collègues de l'Université de Stanford ont étudié la transition entre normal et étrange dans l'oxyde de cuivre supraconducteur Bi(2212), en utilisant la technique ARPES (Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy). A l'ARPES, une lumière UV intense est dirigée vers l'échantillon, transportant de l'énergie qui peut en éjecter des électrons. L'énergie et la vitesse de ces électrons chassés trahissent le comportement des électrons dans l'échantillon.

Eau bouillante

Outre la température, le paramètre de dopage est crucial. En peaufinant la chimie exacte du matériau, le nombre de porteurs de charge librement mobiles peut être modifié, qui influence les propriétés.

A des températures relativement chaudes, juste au-dessus de la Tc la plus élevée possible, la transition entre le métal normal et le métal étrange a lieu entre un pourcentage de dopage de 19 et 20 pour cent. A cette transition, Chen et ses collègues montrent que la distribution d'énergie des électrons change brusquement. De telles transitions discontinues sont courantes en physique. Un exemple est l'eau bouillante :lors du passage de l'eau liquide à la vapeur, la densité fait un saut géant discontinu.

Mais la chose étrange est que dans ce cas, la discontinuité disparaît lorsque la température est abaissée dans le domaine supraconducteur :la brusquerie s'aplanit, et les propriétés changent soudainement en continu.

Poubelle

« Alors, quel est le cas ? D'après un principe physique général, un comportement discontinu à haute température devrait se traduire par une transition discontinue à basse température, " dit Zaanen. " Le fait que cela ne se produise pas est en contradiction avec n'importe quel calcul jusqu'à présent. La machinerie théorique complète nous fait défaut.

Cela signifie également que la transition dite critique quantique, un favori parmi les explications, peut être jeté à la poubelle car il prédit un comportement continu du signal ARPES lorsque le dopage varie.

Selon Zaanen, tout cela indique clairement que l'étrange phase métallique est une conséquence de l'intrication quantique. C'est l'intrication des propriétés mécaniques quantiques des particules qui est également un ingrédient essentiel pour les ordinateurs quantiques.

Ordinateurs quantiques

D'où, Zaanen pense, ce comportement ne peut être calculé de manière satisfaisante qu'à l'aide d'un ordinateur quantique. Plus que casser des codes de sécurité ou calculer des molécules, le métal étrange est le cas de test idéal, où les ordinateurs quantiques peuvent montrer leurs avantages par rapport aux ordinateurs ordinaires.

La morale de l'histoire, dit Zaanen, est que l'origine de la supraconductivité elle-même est de plus en plus un problème secondaire. "Après trente ans, les preuves s'accumulent qu'une haute supraconductivité à Tc pointe vers une forme radicalement nouvelle de matière, qui est régie par les conséquences de l'intrication quantique dans le monde macroscopique."