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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 (La supraconductivité est un phénomène survenant dans certains matériaux dits supraconducteurs. Il est caractérisé par l'absence de résistance électrique et l'annulation du champ...), 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 connaissance...) du XXe siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une génération humaine et...).

Dans l'édition du 11 septembre de la revue Science, Andrea Bianchi, professeur au Département de physique de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment...) de Montréal (Montréal est à la fois région administrative et métropole du Québec[2]. Cette grande agglomération canadienne constitue un centre majeur du commerce, de l'industrie, de la culture, de la finance et des affaires internationales. Montréal a...), et ses collègues montrent que, contrairement à ce qu'on pensait, la supraconductivité peut induire du magnétisme (Le magnétisme est un phénomène physique, par lequel se manifestent des forces attractives ou répulsives d'un objet sur un autre,...), 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...) 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...) 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 (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base...) 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...) du courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau conducteur. Ces...) dans un conducteur est associé au déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense...) 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...) causent de la résistance et libèrent de la chaleur. Dans les supraconducteurs à basse température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de...), 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 (Fille de l'ancienne théorie des quanta, la mécanique quantique constitue le pilier d'un ensemble de théories physiques qu'on regroupe sous l'appellation générale de physique quantique. Cette dénomination s'oppose à celle de physique...), 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...) et d'occuper le même état quantique (En mécanique quantique, l'état d'un système décrit tous les aspects du système physique. Il est représenté par un objet mathématique qui donne le maximum d'information possible sur le système, dans le but de...). 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 sciences (« heure solaire » employé pour...) 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),...), 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 (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) 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 donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être...) 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...), un moment magnétique (En magnétostatique, soit une distribution de courants permanents à support compact de volume V.) 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...)". Dans le supraconducteur, les paires d'électrons sont formées d'électrons de spin opposé ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à ajouté à n donne zéro. En botanique, les organes d'une plante sont dits opposés lorsqu'ils sont insérés au même...), ce qui annule le moment magnétique du couple. Lorsqu'on place le matériau dans un fort champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction, définie en...), 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 courage (cf. les articles « force...) les spins à s'orienter selon le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:). 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...)."

Supraconductivité avec des conséquences magnétiques

Dans l'expérience rapportée dans la revue Science, les scientifiques ont refroidi un monocristal de CeCoIn5, un métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des...) composé de cérium, de cobalt et d'indium, à une température de moins 273,1 degrés, une température près du zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr, d’abord transcrit zefiro en italien) est un symbole marquant une position vide dans l’écriture des...) 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 (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents...).

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 (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) 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 la durée de cet intervalle.) 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’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la...) d'un tel état est la première preuve expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan...) 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 (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui...) 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