Grâce à un faisceau de lumière invisible, des chercheurs ont décodé les tourbillons magnétiques qui se forment au sein des supraconducteurs. Il peut aider les ingénieurs à construire des composants plus résilients pour les réseaux électriques, les scanners IRM et les accélérateurs de particules.
« Pour améliorer les supraconducteurs, les scientifiques doivent comprendre ce que contiennent les vortex et comment ils se comportent », a déclaré Girsh Blumberg, professeur distingué de physique et d’astronomie à Rutgers et co-auteur de l’étude publiée dans Physical Review Letters.
Les supraconducteurs sont réputés pour transporter des courants électriques avec une résistance nulle. Pourtant, l’exposition à des champs magnétiques puissants crée des perturbations microscopiques appelées vortex. À l’intérieur de chaque vortex, des courants électriques tourbillonnent autour d’un noyau affaibli où la supraconductivité se brise. « C’est comme du fromage suisse, avec de nombreux trous », a ajouté Blumberg.
Prouver une théorie difficile
Lorsque ces vortex se déplacent, le matériau perd de l’énergie électrique sous forme de chaleur. Les physiciens souhaitent depuis longtemps examiner l’intérieur de ces noyaux pour voir comment se comportent les particules piégées. Les théoriciens avaient déjà prédit que les particules à l’intérieur de chaque vortex s’installeraient dans des niveaux d’énergie quantique échelonnés, un peu comme les barreaux d’une échelle. Cependant, le prouver expérimentalement s’avère notoirement difficile, car les niveaux d’énergie de la plupart des matériaux se confondent.
Pour résoudre l’énigme, l’équipe Rutgers a fabriqué un composé à base de fer contenant du tellure et du sélénium. En utilisant le dépôt atomique couche par couche, les professeurs Seongshik Oh, Hee Taek Yi et leurs collègues ont créé des films cristallins impeccables d’à peine 40 nanomètres d’épaisseur, soit environ mille fois plus fins qu’un cheveu humain. Les noyaux étroits de ce composé maintenaient les barreaux quantiques proprement espacés.
Les expériences ont ensuite été transférées à Tallinn, en Estonie, où les films ont été refroidis à moins 438 degrés Fahrenheit sous des champs magnétiques intenses. Les scientifiques ont émis un rayonnement térahertz, une forme de lumière invisible basse fréquence, directement à travers les échantillons ultra-minces.
Tester les deux variantes
L’équipe a manipulé la polarisation du faisceau lumineux. Les ondes lumineuses peuvent se tordre dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse lors de leur déplacement. Les chercheurs ont découvert que les particules piégées se divisaient nettement en deux groupes distincts. Un groupe a réagi uniquement à la spirale à gauche, tandis que l’autre a réagi uniquement à la torsion à droite.
« Cette différence a permis aux chercheurs de distinguer les deux groupes et de les étudier chacun séparément », note un communiqué de presse. « À l’aide de leurs mesures de lumière et de leurs calculs mathématiques, les chercheurs ont estimé la taille des vortex et la durée de réponse des particules à la lumière. »
« Ils ont également estimé la force avec laquelle les vortex résistent aux changements de vitesse ou de direction et la force d’un champ magnétique qui perturberait la supraconductivité de chaque groupe de particules. »
L’équipe a également testé deux variantes de leur recette chimique avec différentes quantités de sélénium. Bien que les deux échantillons aient commencé à devenir supraconducteurs à des températures presque identiques, leur mécanique interne était étonnamment différente. Une recette a produit quatre fois plus de particules du premier groupe que le second, tandis que l’autre recette a donné une répartition égale.
Les résultats montrent que des supraconducteurs ayant les mêmes températures de fonctionnement peuvent cacher des dynamiques internes très différentes. En isolant ces particules piégées avec de la lumière polarisée, les chercheurs disposent désormais d’une méthode précise pour affiner les matériaux destinés aux futures technologies électriques lourdes.
