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Les fluctuations quantiques provoquent une révolution dans la supraconductivité !

Article publié le
par Louise Pichon

Dans une avancée scientifique étonnante, des physiciens de l’Université de Princeton ont découvert une transition de phase quantique révolutionnaire dans la supraconductivité, défiant les théories établies et soulignant la nécessité de nouvelles approches pour comprendre la mécanique quantique dans les solides. Cette découverte, publiée récemment dans la revue scientifique Nature Physics, promet de transformer notre compréhension de la physique quantique des solides et de propulser l’étude de la matière condensée quantique et de la supraconductivité dans de nouvelles directions potentielles.

Fluctuations quantiques : un phénomène énigmatique

Les fluctuations sont des changements temporaires et aléatoires dans l’état thermodynamique d’un matériau au bord d’une transition de phase. L’expérience de Princeton a exploré les fluctuations qui se produisent dans un supraconducteur à des températures proches du zéro absolu. “Ce que nous avons trouvé, en regardant directement les fluctuations quantiques près de la transition, était une preuve claire d’une nouvelle transition de phase quantique qui désobéit aux descriptions théoriques standard connues dans le domaine”, a déclaré Sanfeng Wu, professeur assistant de physique à l’Université de Princeton.

Supraconductivité et phases quantiques : un nouveau regard

La supraconductivité se produit lorsque les électrons s’associent et s’écoulent en unisson sans résistance et sans dissipation d’énergie. Dans l’état supraconducteur, les électrons agissent de concert d’une manière économe en énergie. Cette découverte remet en question la compréhension longtemps acceptée que la supraconductivité était impossible dans un monde bidimensionnel. “Cela est survenu parce que, à mesure que vous passez à des dimensions inférieures, les fluctuations deviennent si fortes qu’elles ‘tuent’ toute possibilité de supraconductivité”, a expliqué N. Phuan Ong, professeur de physique à l’Université de Princeton.

L’expérience actuelle : un tournant dans la recherche

Supraconductivité

L’expérience a commencé avec un cristal en vrac de ditellurure de tungstène (WTe2), un semi-métal en couches. Les chercheurs ont transformé le ditellurure de tungstène en un matériau bidimensionnel en l’exfoliant progressivement jusqu’à obtenir une couche unique, atomiquement fine.

À ce niveau de finesse, le matériau se comporte comme un isolant très puissant, ses électrons ayant un mouvement limité et ne pouvant donc pas conduire l’électricité. Étonnamment, les chercheurs ont découvert que le matériau présente une multitude de comportements quantiques novateurs, tels que le passage entre des phases isolantes et supraconductrices. Ils ont pu contrôler ce comportement de commutation en construisant un dispositif fonctionnant comme un interrupteur “marche et arrêt”.

La principale manière par laquelle les fluctuations détruisent la supraconductivité bidimensionnelle est par l’émergence spontanée de ce que l’on appelle un vortex quantique. Chaque vortex ressemble à un minuscule tourbillon composé d’un brin microscopique de champ magnétique piégé à l’intérieur d’un courant d’électrons tourbillonnant. Lorsque l’échantillon est élevé au-dessus d’une certaine température, des vortex apparaissent spontanément par paires : vortex et antivortex.

Leur mouvement rapide détruit l’état supraconducteur. “Un vortex est comme un tourbillon”, a déclaré Ong. “Ce sont des versions quantiques du tourbillon que vous voyez lorsque vous videz une baignoire.

Un nouveau type de point critique quantique

Une surprise majeure est que le signal du vortex a disparu brusquement lorsque la densité d’électrons a été ajustée juste en dessous de la valeur critique où la transition de phase quantique de l’état supraconducteur se produit. À cette valeur critique de densité d’électrons, que les chercheurs appellent le point critique quantique (QCP), les fluctuations quantiques entraînent la transition de phase.

Nous nous attendions à voir des fluctuations fortes persister en dessous de la densité critique d’électrons du côté non supraconducteur, tout comme les fortes fluctuations observées bien au-dessus de la température de transition BKT”, a déclaré Wu. “Pourtant, ce que nous avons trouvé, c’est que les signaux de vortex ‘disparaissent soudainement’ au moment où la densité critique d’électrons est franchie. Et cela a été un choc. Nous ne pouvons pas du tout expliquer cette observation – la ‘mort soudaine’ des fluctuations.

Dans le domaine de la physique de la matière condensée, il existe actuellement deux théories établies qui expliquent les transitions de phase d’un supraconducteur, la théorie de Ginzburg-Landau et la théorie BKT. Cependant, les chercheurs ont constaté que ni l’une ni l’autre de ces théories n’expliquent les phénomènes observés.

Nous avons besoin d’une nouvelle théorie pour décrire ce qui se passe dans ce cas”, a déclaré Wu, “et c’est quelque chose que nous espérons aborder dans des travaux futurs, à la fois théoriquement et expérimentalement.

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A propos de l'auteur
Louise est une rédactrice passionnée par la culture geek et le monde fascinant de la cryptomonnaie. Ses articles offrent une analyse approfondie de l'intersection entre les dernières tendances geek et les développements du marché crypto. Elle excelle dans l'exploration de sujets complexes, les rendant accessibles et captivants pour un public diversifié.
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