La valse des fermions sous le microscope

Les matériaux supraconducteurs transportent le courant sans dissipation de chaleur1 , une propriété en partie expliquée notamment par la formation de paires d’électrons2  selon la théorie Bardeen-Cooper-Schrieffer. Or une meilleure compréhension de ce mécanisme permettrait d’expliquer le fonctionnement de certains supraconducteurs dits « à haute température critique » qui restent conducteurs sans résistance à des températures élevées, ce qui les rend plus faciles à utiliser3 , et qui étaient jusqu’alors mal compris avec cette théorie standard. Pour la première fois, des scientifiques, au sein d’une collaboration internationale dirigée par une équipe du CNRS4  et de l’ENS-PSL, ont montré que dans ces systèmes, les fermions ne se contentent pas de s’apparier : ils repoussent également les autres couples de particules voisines, à la manière de couples de danseurs qui tiennent leurs distances dans une salle de bal. La mise en évidence de ce double phénomène d’appariement et de répulsion est rapportée dans une étude de Physical Review Letters, le 15 avril.

Pour identifier ce comportement des fermions, les scientifiques ont utilisé un microscope à gaz quantique en continuum, une technique développée au CNRS5 , qui permet de « photographier » la matière à l’échelle atomique. En refroidissant des atomes de lithium -qui sont des fermions- à des températures proches du zéro absolu, l’équipe a pu observer chacun d’entre eux, puis reconstruire leur agencement spatial, à l’aide de calculs numériques poussés.

Ces travaux ouvrent de nouvelles pistes pour mieux comprendre des propriétés quantiques complexes, qui pourront, à terme, contribuer à orienter les industriels dans la conception de dispositifs supraconducteurs plus efficaces.

• 1Contrairement à d’autres matériaux conducteurs, cette propriété des supraconducteurs permet une économie des systèmes de refroidissement qui sont source de pollution.
• 2Les électrons font partie des fermions, l’une des deux de grandes catégories de particules élémentaires avec les bosons.
• 3Les supraconducteurs à haute température critique se distinguent des supraconducteurs à basse température critique par le fait qu’ils restent conducteurs sans résistance à des températures beaucoup plus élevées, ce qui les rend plus faciles à utiliser et ouvre la voie à des technologies comme des câbles ou des appareils qui transportent l’électricité sans chauffer.
• 4Du laboratoire Kastler Brossel (CNRS/Collège de France/ENS – PSL/Sorbonne Université). D’autres scientifiques du laboratoire Collisions agrégats réactivité (CNRS/Université de Toulouse) sont également impliqués.
• 5Cette méthode a été mise au point dans de précédents travaux par l’équipe de Tarik Yefsah, chercheur CNRS au laboratoire Kastler Brossel.