Des physiciens du MIT ont réussi à imager des paires de particules dans un nuage d’atomes, fournissant de nouvelles informations sur le comportement des électrons dans les matériaux supraconducteurs. Cette découverte, publiée dans la revue Science, pourrait aider à comprendre la supraconductivité et à poursuivre le développement de l’électronique sans chaleur. (Concept d’artiste.)
Les images montrent comment les électrons forment des paires supraconductrices qui glissent à travers les matériaux sans frottement.
Lorsque votre ordinateur portable ou votre smartphone chauffe, c’est à cause de l’énergie qui se perd dans la traduction. Il en va de même pour les lignes électriques qui transmettent l’électricité entre les villes. En fait, environ 10 % de l’énergie produite est perdue lors de la transmission de l’électricité. Cela s’explique par le fait que les électrons qui portent la charge électrique le font en tant qu’agents libres, en se heurtant à d’autres électrons lorsqu’ils se déplacent collectivement dans les câbles électriques et les lignes de transmission. Toutes ces bousculades génèrent des frottements et, en fin de compte, de la chaleur.
Mais lorsque les électrons s’associent, ils peuvent s’élever au-dessus de la mêlée et glisser à travers un matériau sans frottement. Ce comportement « supraconducteur » se produit dans toute une série de matériaux, mais à des températures extrêmement basses. Si ces matériaux peuvent être rendus supraconducteurs à une température plus proche de la température ambiante, ils pourraient ouvrir la voie à des dispositifs sans perte, tels que des ordinateurs portables et des téléphones sans chaleur, ainsi qu’à des lignes électriques ultra-efficaces. Mais d’abord, les scientifiques devront comprendre comment les électrons s’apparient entre eux.
De nouveaux clichés de particules s’appariant dans un nuage d’atomes peuvent fournir des indices sur la manière dont les électrons s’apparient dans un matériau supraconducteur. Les clichés ont été pris par des physiciens du MIT et sont les premières images qui capturent directement l’appariement des fermions – une classe majeure de particules qui comprend les électrons, ainsi que les protons, les neutrons et certains types d’atomes.
Des physiciens du MIT ont pris des clichés de particules s’appariant dans un nuage d’atomes, ce qui peut donner des indications sur la manière dont les électrons s’apparient dans un matériau supraconducteur. Dans cette figure de données, les boules rouges et bleues sont des fermions de spin-up et de spin-down, dont certains sont appariés. Les sites blancs sont des sites doublement occupés. Crédit : Thomas Hartke
Dans ce cas, l’équipe du MIT a travaillé avec des fermions sous la forme d’atomes de potassium 40, et dans des conditions qui simulent le comportement des électrons dans certains matériaux supraconducteurs. Ils ont mis au point une technique d’imagerie d’un nuage d’atomes de potassium 40 surfondu, qui leur a permis d’observer l’appariement des particules, même lorsqu’elles sont séparées par une faible distance. Ils ont également pu repérer des modèles et des comportements intéressants, comme la façon dont les paires forment des damiers, qui sont perturbés par le passage de célibataires solitaires.
Ces observations, publiées le 6 juillet dans la revue Science, peuvent servir de schéma directeur visuel pour la manière dont les électrons peuvent s’apparier dans les matériaux supraconducteurs. Les résultats peuvent également aider à décrire comment les neutrons s’apparient pour former un superfluide intensément dense et tourbillonnant au sein des étoiles à neutrons.
« L’appariement des fermions est à la base de la supraconductivité et de nombreux phénomènes de physique nucléaire », explique Martin Zwierlein, auteur de l’étude et professeur de physique Thomas A. Frank au MIT. « Mais personne n’avait encore observé cet appariement in situ. C’est pourquoi il était tout simplement stupéfiant de voir enfin ces images à l’écran, fidèlement.
Les coauteurs de l’étude sont Thomas Hartke, Botond Oreg, Carter Turnbaugh et Ningyuan Jia, tous membres du département de physique du MIT, du centre MIT-Harvard pour les atomes ultrafroids et du laboratoire de recherche en électronique.
Sommaire
Une vue décente
Observer directement les paires d’électrons est une tâche impossible. Ils sont tout simplement trop petits et trop rapides pour être capturés par les techniques d’imagerie existantes. Pour comprendre leur comportement, des physiciens comme Zwierlein se sont tournés vers des systèmes d’atomes analogues. Les électrons et certains atomes, malgré leur différence de taille, sont similaires en ce sens qu’ils sont des fermions – des particules qui présentent une propriété connue sous le nom de « spin demi-entier ». Lorsque des fermions de spin opposé interagissent, ils peuvent s’apparier, comme le font les électrons dans les supraconducteurs et comme le font certains atomes dans un nuage de gaz.
Le groupe de Zwierlein a étudié le comportement des atomes de potassium 40, des fermions connus, qui peuvent être préparés dans l’un des deux états de spin. Lorsqu’un atome de potassium d’un spin interagit avec un atome d’un autre spin, ils peuvent former une paire, comme les électrons supraconducteurs. Mais dans des conditions normales, à température ambiante, les atomes interagissent dans un flou difficile à saisir.
Le groupe de Zwierlein a étudié le comportement des atomes de potassium 40, des fermions connus, qui peuvent être préparés dans l’un des deux états de spin. De gauche à droite : Carter Turnbaugh, Ningyuan Jia, Thomas Hartke, Martin Zwierlein et Botond Oreg. Crédit : Thomas Hartke
Pour avoir une idée précise de leur comportement, Zwierlein et ses collègues étudient les particules sous la forme d’un gaz très dilué d’environ 1 000 atomes, qu’ils placent dans des conditions ultrafroides, des nanokelvins, qui ralentissent les atomes jusqu’à ce qu’ils se mettent à ramper. Les chercheurs contiennent également le gaz dans un réseau optique, ou une grille de lumière laser dans laquelle les atomes peuvent sauter et que les chercheurs peuvent utiliser comme une carte pour localiser avec précision les atomes.
Dans leur nouvelle étude, l’équipe a amélioré sa technique existante d’imagerie des fermions, ce qui lui a permis de geler momentanément les atomes en place, puis de prendre des clichés séparément des atomes de potassium 40 ayant un spin particulier ou l’autre. Les chercheurs ont ensuite pu superposer une image d’un type d’atome sur l’autre et voir où et comment les deux types s’associaient.
« Il a été extrêmement difficile d’arriver au point où nous pouvions réellement prendre ces images », explique Zwierlein. « Vous pouvez imaginer qu’au début, vous obtenez de gros trous dans votre imagerie, vos atomes s’enfuient, rien ne fonctionne. Au fil des ans, nous avons dû résoudre des problèmes terriblement compliqués en laboratoire, et les étudiants ont fait preuve d’une grande endurance.
Danse en couple
L’équipe a observé un comportement d’appariement entre les atomes prédit par le modèle de Hubbard, une théorie largement répandue et considérée comme la clé du comportement des électrons dans les supraconducteurs à haute température, des matériaux qui présentent une supraconductivité à des températures relativement élevées (bien qu’encore très froides). Les prédictions sur la manière dont les électrons s’apparient dans ces matériaux ont été testées à l’aide de ce modèle, mais n’ont jamais été observées directement jusqu’à présent.
L’équipe a créé et imagé différents nuages d’atomes des milliers de fois et a traduit chaque image en une version numérisée ressemblant à une grille. Chaque grille montrait l’emplacement des atomes des deux types (représentés en rouge et en bleu dans leur article). À partir de ces cartes, ils ont pu voir les carrés de la grille contenant un atome rouge ou bleu isolé, les carrés où un atome rouge et un atome bleu s’associaient localement (représentés en blanc), ainsi que les carrés vides ne contenant ni atome rouge ni atome bleu (en noir).
Les images individuelles montrent déjà de nombreuses paires locales et des atomes rouges et bleus très proches les uns des autres. En analysant des ensembles de centaines d’images, l’équipe a pu montrer que les atomes se présentent effectivement par paires, parfois en formant une paire serrée dans un carré, et parfois en formant des paires plus lâches, séparées par un ou plusieurs espaces de la grille. Cette séparation physique, ou « appariement non local », a été prédite par le modèle de Hubbard, mais n’a jamais été observée directement.
Les chercheurs ont également observé que les collections de paires semblaient former un motif en damier plus large, et que ce motif oscillait dans et hors de la formation lorsqu’un partenaire d’une paire s’aventurait en dehors de son carré et déformait momentanément le damier des autres paires. Ce phénomène, connu sous le nom de « polaron », a également été prédit mais n’a jamais été observé directement.
« Dans cette soupe dynamique, les particules sautent constamment les unes sur les autres, s’éloignent, mais ne dansent jamais trop loin les unes des autres », note Zwierlein.
Le comportement d’appariement entre ces atomes doit également se produire dans les électrons supraconducteurs, et Zwierlein affirme que les nouveaux clichés de l’équipe aideront les scientifiques à mieux comprendre les supraconducteurs à haute température, et peut-être à comprendre comment ces matériaux pourraient être réglés pour atteindre des températures plus élevées et plus pratiques.
« Il s’agit d’un nouveau travail passionnant », déclare Immanuel Bloch, professeur de physique expérimentale à l’université Ludwig-Maximilians de Munich, qui n’a pas participé à ces travaux. « C’est un bel exemple de la façon dont des corrélations complexes peuvent être observées directement dans ces expériences de simulation quantique hautement contrôlées, et cela stimulera la réflexion sur des modèles de corrélations plus complexes qui peuvent être capturés directement dans l’expérience. »
Référence : « Direct observation of nonlocal fermion pairing in an attractive Fermi-Hubbard gas » par Thomas Hartke, Botond Oreg, Carter Turnbaugh, Ningyuan Jia et Martin Zwierlein, 6 juillet 2023, Science.
DOI : 10.1126/science.ade4245
Cette recherche a été soutenue, en partie, par la National Science Foundation des États-Unis, le Bureau de la recherche scientifique de l’armée de l’air des États-Unis et le Vannevar Bush Faculty Fellowship.