Une observation inattendue vient secouer les certitudes sur la supraconductivité.
Des physiciens ont réussi à filmer la danse quantique des électrons au sein d'un supraconducteur, et le résultat les a pris de court: les paires d'atomes, que l'on croyait indépendantes, interagissent entre elles, comme des danseurs synchronisés sur une scène bondée. Ce comportement coordonné, jamais observé auparavant, remet en cause une théorie vieille de 70 ans.
La supraconductivité est un phénomène où certains matériaux, refroidis à des températures extrêmement basses, laissent passer le courant électrique sans aucune résistance. Ce "pouvoir magique" vient du fait que les électrons, habituellement solitaires, se mettent en couple – on les appelle paires de Cooper. La théorie expliquant ce mécanisme, dite BCS, a valu un prix Nobel à ses auteurs dans les années 1950. Mais cette théorie suppose que chaque paire agit de son côté, sans influencer ses voisines.
Pour la première fois, les chercheurs ont imagé le comportement des paires d'électrons dans un supraconducteur.
Crédit: Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation Pour vérifier cette hypothèse, des physiciens du CNRS et du Flatiron Institute ont conçu une expérience ingénieuse. Ils ont utilisé un gaz d'atomes de lithium refroidi à quelques milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu. Ces atomes se comportent comme des électrons, ce qui permet d'étudier la supraconductivité dans un environnement contrôlé. Ce système, appelé gaz de Fermi, sert de laboratoire miniature pour observer la mécanique quantique.
Grâce à une nouvelle technique d'imagerie, l'équipe a pris des instantanés de la position de chaque paire d'atomes. Les images ont révélé une organisation inattendue: les paires ne sont pas réparties au hasard, mais maintiennent une distance régulière les unes des autres, comme des danseurs qui évitent de se bousculer. Ce motif de répulsion, absent de la théorie BCS, montre que les paires interagissent bien entre elles. Les chercheurs qualifient cette découverte de "pièce manquante" du puzzle.
Pour s'assurer que ces observations étaient correctes, des simulations quantiques détaillées ont été réalisées. Les calculs ont reproduit exactement les résultats expérimentaux, confirmant que les paires s'organisent avec un espacement précis. Cette validation renforce l'idée que la théorie BCS, bien qu'utile, est incomplète et qu'il faut intégrer ces interactions pour mieux comprendre la supraconductivité.
Ces avancées pourraient avoir un impact considérable sur la recherche de nouveaux matériaux supraconducteurs. Actuellement, les meilleurs supraconducteurs "haute température" ne fonctionnent qu'à -196 °C, la température de l'azote liquide. En comprenant mieux les mécanismes fondamentaux, les scientifiques espèrent un jour créer des matériaux qui deviennent supraconducteurs à température ambiante. Un tel exploit transformerait radicalement les réseaux électriques, les ordinateurs et bien d'autres technologies.
Au-delà de la supraconductivité, cette découverte ouvre une fenêtre sur d'autres états quantiques de la matière. En affinant leurs outils sur des systèmes simples comme le gaz de Fermi, les chercheurs pourront explorer des systèmes plus complexes, où se cachent peut-être les prochaines grandes innovations technologiques.