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Posté par Michel le Vendredi 12/09/2008 à 00:00
Un mystère quantique: quand la supraconductivité est magnétique
Lorsqu’un courant électrique passe dans un fil, il le chauffe; c’est le principe du grille-pain et de l’ampoule incandescente. À basse température, certains matériaux violent cette loi et conduisent le courant sans aucune perte de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !). Cette propriété en apparence anodine, la supraconductivité, a une origine purement quantique et son étude permet d’approfondir notre compréhension d’un des aspects les plus bouleversants de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...) du XXe siècle.

Dans l’édition du 11 septembre de la revue Science, Andrea Bianchi, professeur au Département de physique de l’Université de Montréal, et ses collègues montrent que, contrairement à ce qu’on pensait, la supraconductivité peut induire du magnétisme, soulevant un nouveau mystère quantique.

Utilisant la source des neutrons de spallation suisse (SINQ) de l’Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) Paul-Scherrer (PSI) à Villigen, le groupe de chercheurs internationaux, mené par Michel Kenzelmann, scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) de l’Institut Paul-Scherrer et professeur à l’École polytechnique fédérale de Zurich en Suisse, a trouvé un supraconducteur présentant deux propriétés quantiques fascinantes. Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) d’abord, le matériau dans l’état supraconducteur possède un ordre magnétique, une surprise puisque les deux phénomènes (supraconductivité et magnétisme) s’opposent normalement.

De plus, les expériences du SINQ démontrent que les paires d’électrons qui s’apparient pour former l’état supraconducteur ont une impulsion qui n’est pas nulle, à l’encontre de ce qu’on observe dans tous les autres supraconducteurs connus. Un tel état avait été prévu théoriquement il y a plusieurs années, mais il n’avait encore jamais été détecté microscopiquement.

Magnétisme et supraconductivité

Le transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..). Par...) du courant électrique dans un conducteur est associé au déplacement des électrons. Les collisions entre ceux-ci et les ions du cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon l'Union internationale de...) causent de la résistance et libèrent de la chaleur. Dans les supraconducteurs à basse température, les électrons s’assemblent par paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :), ce qui leur permet, grâce à la mécanique quantique, de synchroniser leur mouvement avec celui des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...) et d’occuper le même état quantique. Alors que les électrons dans l’état normal peuvent être vus comme des marcheurs sur une place publique à l’heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y compris en...) de pointe, dans l’état supraconducteur, les paires d’électrons sont comme des couples des danseurs qui tournent ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être...), sans collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.), au rythme de la musique.

L’électron a une charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui...) mais aussi, comme un minuscule aimant (Un aimant est un objet fabriqué dans un matériau magnétique dur, c’est-à-dire dont le champ rémanent et l'excitation coercitive sont grands (voir ci-dessous). Cela lui donne des...), un moment magnétique qu’on appelle «spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse...)». Dans le supraconducteur, les paires d’électrons sont formées d’électrons de spin opposé, ce qui annule le moment magnétique du couple. Lorsqu’on place le matériau dans un fort champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique, on force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au...) les spins à s’orienter selon le champ. Habituellement, ce renversement brutal brise les paires et détruit la supraconductivité. De nouvelles façons de voir suggèrent toutefois que ce n’est pas nécessaire; si la supraconductivité et le magnétisme tendent à s’éviter s’ils ne s’excluent pas toujours. Selon Michel Kenzelmann, «la supraconductivité et le magnétisme sont comme deux groupes de prédateurs qui luttent pour le même territoire (La notion de territoire a pris une importance croissante en géographie et notamment en géographie humaine et politique, même si ce concept est utilisé par d'autres sciences humaines. Dans le dictionnaire de...)

Supraconductivité avec des conséquences magnétiques

Dans l’expérience rapportée dans la revue Science, les scientifiques ont refroidi un monocristal de CeCoIn5, un métal composé de cérium, de cobalt et d’indium, à une température de moins 273,1 degrés, une température près du zéro absolu. À leur grand étonnement, ils ont alors découvert que le magnétisme et la supraconductivité coexistent et disparaissent en même temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) lorsqu’ils chauffent l’échantillon.

Cette découverte est extraordinaire: l’ordre magnétique existe exclusivement quand cet échantillon est dans l’état supraconducteur. Dans ce cas unique, magnétisme et supraconductivité ne se concurrencent pas. C’est plutôt la supraconductivité qui génère l’ordre magnétique.

«Nos résultats indiquent clairement que la supraconductivité est une condition requise pour établir cet ordre magnétique. Nos travaux offrent enfin la possibilité de comprendre le fonctionnement de la formation des paires supraconductrices dans les matériaux où celle-ci est causée par une interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) magnétique. Nous espérons également que nos résultats permettront le développement de nouvelles applications technologiques d’ici peu, ajoute Michel Kenzelmann.

Paires nouvelles

Une deuxième découverte importante est relatée dans le même article: les paires d’électrons dans l’état supraconducteur à champ magnétique fort possèdent une impulsion finie. Dans tous les autres supraconducteurs connus, les paires montrent une impulsion totale (L'impulsion totale, dans le domaine de l'astronautique, est le produit de la poussée moyenne d'un propulseur pendant un intervalle de temps par...) nulle. Prévu par les théoriciens il y a quelques décennies, l’observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...) d’un tel état est la première preuve expérimentale de ce phénomène.

Ces deux résultats soulèvent de nombreuses questions sur les rapports entre le magnétisme et la supraconductivité. Les réponses qui seront apportées ces prochaines années vont permettre de mieux comprendre cette partie fascinante de la mécanique quantique et pourraient même mener à la découverte de nouveaux matériaux supraconducteurs utilisables technologiquement.

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Source: Communiqué de presse de l’Université de Montréal
Illustration: Andrea Bianchi, Département de physique, Université de Montréal