Le principe central de la supraconductivité est que les électrons forment des paires. Mais peuvent-ils aussi se condenser en quatuors ? Des découvertes récentes ont suggéré qu’ils le pouvaient, et un physicien du KTH Royal Institute of Technology a publié aujourd’hui la première preuve expérimentale de cet effet de quadruplement et du mécanisme par lequel cet état de la matière se produit.
Rapports dans Physique de la nature, Le professeur Egor Babaev et ses collaborateurs ont présenté des preuves du quadruplement des fermions dans une série de mesures expérimentales sur le matériau à base de fer, Ba1−xKxFe2As2. Les résultats suivent près de 20 ans après le premier Babaev prédit ce genre de phénomène, et huit ans après avoir publié un article prédisant que cela pourrait se produire dans le matériau.
L’appariement des électrons permet l’état quantique de la supraconductivité, un état de conductivité à résistance nulle qui est utilisé dans les scanners IRM et l’informatique quantique. Il se produit dans un matériau à la suite de la liaison de deux électrons au lieu de se repousser, comme ils le feraient dans le vide. Le phénomène a été décrit pour la première fois dans une théorie par Leon Cooper, John Bardeen et John Schrieffer, dont les travaux ont reçu le prix Nobel en 1972.
Le matériau supraconducteur à base de fer, Ba1−xKxFe2As2, est monté pour des mesures expérimentales. Crédit : Vadim Grinenko, Federico Caglieris
Les paires dites de Cooper sont essentiellement des « opposés qui s’attirent ». Normalement, deux électrons, qui sont des particules subatomiques chargées négativement, se repousseraient fortement. Mais à basse température dans un cristal, ils deviennent lâchement liés par paires, donnant lieu à un ordre robuste à longue distance. Les courants de paires d’électrons ne se dispersent plus à partir de défauts et d’obstacles et un conducteur peut perdre toute résistance électrique, devenant un nouvel état de la matière : un supraconducteur.
Ce n’est que ces dernières années que l’idée théorique de condensats à quatre fermions a été largement acceptée.
Pour qu’un état de quadruplement de fermions se produise, il doit y avoir quelque chose qui empêche la condensation des paires et empêche leur écoulement sans résistance, tout en permettant la condensation des composites à quatre électrons, dit Babaev.
La théorie de Bardeen-Cooper-Schrieffer n’autorisait pas un tel comportement. Ainsi, lorsque le collaborateur expérimental de Babaev à la Technische Universtät Dresden, Vadim Grinenko, a trouvé en 2018 les premiers signes d’un condensat de fermions quadruplant, il a remis en question des années d’accord scientifique répandu.
Ce qui a suivi a été trois ans d’expérimentation et d’enquête dans les laboratoires de plusieurs institutions afin de valider les résultats.
Babaev dit que la clé parmi les observations faites est que les condensats quadruples fermioniques brisent spontanément la symétrie d’inversion du temps. En physique, la symétrie d’inversion du temps est une opération mathématique consistant à remplacer l’expression du temps par son négatif dans les formules ou les équations afin qu’elles décrivent un événement dans lequel le temps recule ou tous les mouvements sont inversés.
Si l’on inverse le sens du temps, les lois fondamentales de la physique sont toujours valables. Cela vaut également pour les supraconducteurs typiques : si la flèche du temps est inversée, un supraconducteur typique serait toujours le même état supraconducteur.
“Cependant, dans le cas d’un condensat à quatre fermions que nous rapportons, l’inversion du temps le met dans un état différent”, dit-il.
« Il faudra probablement de nombreuses années de recherche pour bien comprendre cet état », dit-il. “Les expériences ouvrent un certain nombre de nouvelles questions, révélant un certain nombre d’autres propriétés inhabituelles associées à sa réaction aux gradients thermiques, aux champs magnétiques et aux ultrasons qui doivent encore être mieux comprises.”
Référence : « État avec symétrie d’inversion du temps spontanément brisée au-dessus de la transition de phase supraconductrice » par Vadim Grinenko, Daniel Weston, Federico Caglieris, Christoph Wuttke, Christian Hess, Tino Gottschall, Ilaria Maccari, Denis Gorbunov, Sergei Zherlitsyn, Jochen Wosnitza, Andreas Rydh , Kunihiro Kihou, Chul-Ho Lee, Rajib Sarkar, Shanu Dengre, Julien Garaud, Aliaksei Charnukha, Ruben Hühne, Kornelius Nielsch, Bernd Büchner, Hans-Henning Klauss et Egor Babaev, 18 octobre 2021, Physique de la nature.
DOI : 10.1038 / s41567-021-01350-9
Des scientifiques des institutions suivantes ont contribué à la recherche : Institut de physique des solides et des matériaux, TU Dresden, Allemagne ; Institut Leibniz pour la recherche sur l’état solide et les matériaux, Dresde ; Université de Stockholm; Bergische Universtät à Wuppertal, Allemagne ; Laboratoire de champ magnétique élevé de Dresde (HLD-EMFL); Pôle d’excellence Würzburg-Dresde ct.qmat, Allemagne ; Helmholtz-Zentrum, Allemagne ; Institut national des sciences et technologies industrielles avancées (AIST), Japon ; Institut Denis Poisson, France.
