Une équipe internationale de physiciens et de spécialistes des matériaux des États-Unis et de Chine a découvert un nouvel état de la matière qu’elle a baptisé “métal à paire de Cooper”.
De minuscules trous percés dans un matériau supraconducteur à haute température ont révélé que les paires de Cooper peuvent également conduire l’électricité comme le font les métaux. Crédit image : Université de Brown.
Les paires de Cooper sont des paires d’électrons couplés qui permettent aux supraconducteurs de conduire l’électricité sans résistance.
Elles doivent leur nom à Leon Cooper, un physicien américain qui a reçu le prix Nobel en 1972 pour avoir décrit leur rôle dans la supraconductivité.
La résistance est créée lorsque les électrons se déplacent dans le réseau atomique d’un matériau. Mais lorsque les électrons s’unissent pour former des paires de Cooper, ils subissent une transformation remarquable.
Les électrons par eux-mêmes sont des fermions, des particules qui obéissent au principe d’exclusion de Pauli, ce qui signifie que chaque électron tend à conserver son propre état quantique. Les paires de Cooper, en revanche, se comportent comme des bosons, qui peuvent heureusement partager le même état.
Ce comportement bosonique permet aux paires de Cooper de coordonner leurs mouvements avec d’autres ensembles de paires de Cooper de manière à réduire la résistance à zéro.
En 2007, le professeur Jim Valles de l’université Brown et ses collègues ont montré que les paires de Cooper pouvaient également produire des états isolants ainsi que de la supraconductivité.
Dans les matériaux très fins, plutôt que de se déplacer de concert, les paires conspirent pour rester en place, échouées sur de minuscules îles à l’intérieur d’un matériau et incapables de passer à l’île suivante.
Pour la nouvelle étude, les chercheurs ont cherché des paires de Cooper dans l’état métallique non supraconducteur en utilisant une technique similaire à celle qui a révélé les isolants à paires de Cooper.
La technique consiste à structurer un film mince supraconducteur – dans ce cas, un supraconducteur à haute température, l’oxyde d’yttrium baryum cuivre – avec des réseaux de trous minuscules.
Lorsque le matériau est parcouru par un courant et qu’il est exposé à un champ magnétique, les porteurs de charge du matériau tournent autour des trous comme l’eau autour d’un drain.
Les scientifiques ont mesuré la fréquence à laquelle ces charges tournent en rond et ont constaté qu’elle correspondait à la présence de deux électrons à la fois au lieu d’un seul.
Ils ont donc conclu que les porteurs de charge dans cet état sont des paires de Cooper et non des électrons uniques.
“Il y avait des preuves que cet état métallique apparaissait dans les supraconducteurs à couche mince lorsqu’ils étaient refroidis vers leur température de supraconduction, mais la question de savoir si cet état impliquait ou non des paires de Cooper restait ouverte”, a déclaré le professeur Valles.
“Nous avons développé une technique qui nous permet de tester cette question et nous avons montré qu’en effet, les paires de Cooper sont responsables du transport de la charge dans cet état métallique. Ce qui est intéressant, c’est que personne n’est tout à fait sûr, à un niveau fondamental, de la façon dont elles le font, donc cette découverte nécessitera d’autres travaux théoriques et expérimentaux pour comprendre exactement ce qui se passe.”
La recherche est décrite dans un article du journal Science.
