La découverte de la supraconductivité il y a plus d'un siècle a considérablement changé notre monde.

L'histoire a commencé en 1911 lorsque le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes a observé que la résistance électrique du mercure tombait brusquement à zéro lorsqu'il était refroidi à une température d'environ 4 Kelvin (environ 269°C), soit un peu plus froide que le point d'ébullition du liquide. hélium.

Les applications pratiques de cet effet remarquable ont été réalisées bien plus tard, en 1986, lorsqu'une classe de supraconducteurs à haute température a été découverte. Ces matériaux à haute Tc ont une température critique inférieure au point d'ébullition de l'azote liquide, environ -196°C, ce qui réduit la complexité et le coût de leur fonctionnement.

De nos jours, les conséquences bénéfiques de la découverte de la supraconductivité ne peuvent être surestimées. Ce phénomène entre progressivement dans notre vie quotidienne, même si le rôle unique qu'il joue n'est pas facilement visible.

La persistance des courants électriques dans le matériau supraconducteur n'implique aucune perte d'énergie dans les circuits supraconducteurs, ce qui permet la mise en service de trains Maglev à grande vitesse qui utilisent la lévitation magnétique pour réduire presque à zéro le frottement énergétique.

Le flux d'électricité sans résistance ouvre la voie à des accumulateurs d'énergie prometteurs à réponse rapide (stockage d'énergie magnétique supraconducteur) et constitue le noyau des appareils d'imagerie par résonance magnétique (connus sous le nom d'« IRM ») qui sont largement utilisés dans les hôpitaux et les établissements médicaux. centres de recherche.

La supraconductivité résulte de la formation de paires d’électrons liées entre elles par des quanta de vibrations du réseau (phonons). À basse température, ces paires de Cooper se condensent et forment une superposition cohérente d'états, un condensat bosonique, qui se déplacent à travers le réseau cristallin sans se disperser, ce qui entraîne une résistance électrique nulle.

La condensation des paires de Cooper conduit également à l'expulsion des champs magnétiques du supraconducteur – un phénomène connu sous le nom d'effet Meissner – qui ne s'explique pas par la simple absence de résistance électrique. L'aversion entre le champ magnétique et la supraconductivité est un sentiment mutuel partagé par les deux parties, car le champ magnétique détruit l'état supraconducteur si celui-ci ne parvient pas à le repousser via l'effet Meissner.

Les champs magnétiques impliqués ont une intensité de l'ordre de la centaine de Tesla pour certains supraconducteurs à haute Tc. En revanche, d'autres matériaux supraconducteurs ne peuvent pas résister à des champs encore plus faibles, avec une fraction de Tesla.

Pour avoir une idée de la force du champ magnétique impliqué, un Tesla correspond à la force du champ magnétique dans un haut-parleur ordinaire. Une IRM utilise des bobines magnétiques supraconductrices qui génèrent des champs de la même échelle, jusqu'à 2 Tesla, lorsque le courant électrique les traverse.

Pour résumer, la supraconductivité présentée par certains matériaux est connue pour être vulnérable aux champs magnétiques puissants.

Venons-en maintenant à la question controversée des travaux publiés dans Physical Review Letters que j'ai co-écrit :Pouvons-nous fabriquer un supraconducteur sans utiliser aucun matériau en employant uniquement un champ magnétique ? Cette question semble à la fois controversée et peu intelligente, compte tenu de ce que nous venons de décrire jusqu'à présent.

Premièrement, pour obtenir un état supraconducteur, nous avons besoin de matière, sous la forme de paires de cuivre. Deuxièmement, il semble qu'il faille éviter d'exposer cet état à des champs magnétiques trop puissants, car ceux-ci peuvent détruire le flux supraconducteur.

L'exigence d'absence de matériel signifie que nous sommes encouragés à travailler avec « rien » comme notre… enfin, « matériel ». Ici, « rien » désigne le néant le plus vide que l'on puisse atteindre, c'est-à-dire le vide. Le vide, par définition, ne contient aucune matière, aucune particule et aucune énergie. Appliquer un champ magnétique puissant au vide semble être une idée désespérée, car le champ magnétique n'a rien à influencer.

Cependant, le vide n’est pas entièrement vide, grâce au principe d’incertitude de Heisenberg, pierre angulaire de la physique quantique. Le vide est agité par l'activité de particules virtuelles qui surgissent et disparaissent pendant de courts instants, formant une soupe bouillante de fluctuations quantiques.

Notre équipe, à l’aide de simulations numériques avancées basées sur le premier principe, a démontré qu’un champ magnétique suffisamment puissant provoque la matérialisation de ces fluctuations quantiques sous la forme d’un solide. Ce solide semble être constitué d’une matière semblable à un vortex, les vortex individuels étant approximativement profilés le long du champ magnétique. L'existence d'un tel solide a été émise à la fin des années 1980, la preuve du premier principe de son existence faisant défaut avant nos travaux.

Pour ajouter encore plus de perplexité à notre découverte, nous mentionnons que ce solide exotique possède également des caractéristiques spécifiques d'un liquide :les vortex vacillent et se déplacent, comme dans un liquide, mais restent approximativement fixés à des positions particulières comme dans un solide. Contrairement à un solide typique, on n’observe à aucun moment aucune structure cristalline. Contrairement à un liquide, les constituants vortex de cet étrange matériau n'échangent pas leurs positions spatiales.

Plus étonnant encore, les résultats de notre analyse impliquent fortement que cet état né du vide est un… supraconducteur. Cela dit, nous nous souviendrons peut-être de la première partie de cette histoire où le champ magnétique était proclamé ennemi de la supraconductivité. Cependant, cette dernière affirmation ne peut plus s'appliquer à notre supraconductivité, qui naît littéralement de rien... du même champ magnétique.

Après avoir déclaré ces caractéristiques étrangères de la supraconductivité du vide, il n’est probablement pas surprenant que cette étrange substance supraconductrice solide-liquide-vortex – appelons-la « substance » – possède également une autre propriété, la superfluidité. La superfluidité, cousine électriquement neutre de la supraconductivité, implique que la substance en question abrite un composant semblable à un fluide capable de s'écouler sans viscosité.

Alors que la supraconductivité et la superfluidité du vide ont été émises par un co-auteur de la présente étude en 2010, la nature liquide de l'état du vortex est une surprise étonnante.

En bref, l’état découvert est l’un des « quelque chose » les plus exotiques qui soient. Peut-être parce que ce « quelque chose » est créé littéralement à partir de « rien ».

Un lecteur curieux peut maintenant raisonnablement se demander quelle est la force du champ magnétique nécessaire pour produire cette substance ? Ce n’est pas quelque chose qui peut être réalisé à l’aide, par exemple, d’un aimant de réfrigérateur. Et à partir de quelles particules virtuelles précisément est-il créé ?

Pour atteindre l'état de vide supraconducteur, les champs magnétiques doivent atteindre environ 0,74 × 10 ²⁰ . Tesla (74 exatesla, un exatesla étant égal à l'unité suivi de 18 zéros). Cette force est bien plus forte que celle que l’on peut trouver dans notre aimant de réfrigérateur, rencontré lors d’un examen à l’IRM, ou même créé dans les laboratoires les plus avancés de la planète. Il est beaucoup plus puissant que le champ à l'intérieur des naines blanches ou même autour du générateur de neutrons magnétisé le plus puissant, les magnétars.

Quant à la teneur en particules, la supraconductivité est obtenue par la condensation de bosons W chargés électriquement. Dans le même temps, la superfluidité est maintenue par le condensat coexistant de bosons Z neutres.

À ce stade, on peut se poser encore une autre question :si nous augmentons encore davantage le champ magnétique, ces vortex deviendraient-ils plus robustes et formeraient-ils un cristal ? La réponse est négative. Au lieu de cela, nos simulations ont révélé quelque chose d’encore plus étonnant, qui a quelque chose à voir avec le célèbre condensat de Higgs. Ce condensat est un élément constitutif du modèle standard qui donne de la masse aux particules telles que les quarks et les électrons et constitue l'univers qui nous entoure tel que nous le connaissons.

Nous avons découvert qu'à un deuxième champ magnétique critique plus élevé, d'une force de 260 exatesla, la forme supraconductrice du vide « fond » (à température nulle !), passant à un autre état où le condensat du champ de Higgs disparaît. Cet état de champ élevé ressemble à une condition dans laquelle notre univers était plus jeune que la première picoseconde. La suggestion théorique de la disparition du condensat de Higgs dans un champ magnétique puissant remonte au milieu des années 1970 et n'a été retrouvée que très récemment dans nos travaux.

Nos découvertes ne sont pas seulement une curiosité théorique. Comme l’hypothèse l’a émis en 2021, de tels champs puissants peuvent exister dans des atmosphères quantiques au-dessus des horizons événementiels de trous noirs exotiques hautement magnétisés. Par conséquent, l’étrange état supraconducteur-superfluide-solide-liquide du vide aurait pu apparaître au cours de l’évolution de notre univers ou même exister à ce moment précis.

Cependant, c'est une autre histoire, désormais astrophysique.

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Plus d'informations : M. N. Chernodub et al, Structure de phase du vide électrofaible dans un champ magnétique fort :les résultats du réseau, Physical Review Letters (2023). DOI : 10.1103/PhysRevLett.130.111802

Informations sur le journal : Lettres d'examen physique

Maxim Chernodub est Directeur de Recherche CNRS (chercheur senior) à l'Institut Denis Poisson, Tours, France, responsable du groupe Théorie des champs. Les intérêts de recherche de Chernodub comprennent la théorie quantique des champs, la physique de la matière condensée et la gravité.