Marie Rousseau
Lorsque votre ordinateur portable ou votre smartphone chauffe, c’est à induce de l’énergie perdue lors de la translation. Il en va de même pour les lignes électriques qui transportent l’électricité entre les villes. En fait, environ 10 % de l’énergie générée est perdue dans la transmission de l’électricité. C’est parce que les électrons qui transportent une demand électrique le font en tant qu’agents libres, se heurtant et frôlant d’autres électrons lorsqu’ils se déplacent collectivement à travers les cordons d’alimentation et les lignes de transmission. Toutes ces bousculades génèrent des frottements, et, à terme, de la chaleur.
Mais lorsque les électrons s’apparient, ils peuvent s’élever au-dessus de la mêlée et glisser à travers un matériau sans frottement. Ce comportement «supraconducteur» se produit dans une gamme de matériaux, mais à des températures ultra-froides. Si ces matériaux peuvent être rendus supraconducteurs furthermore près de la température ambiante, ils pourraient ouvrir la voie à des appareils sans perte, tels que des ordinateurs portables et des téléphones sans chaleur, et des lignes électriques extremely-efficaces. Mais d’abord, les scientifiques devront comprendre comment les électrons s’apparient en leading lieu.
Maintenant, de nouveaux instantanés de particules appariées dans un nuage d’atomes peuvent fournir des indices sur la façon dont les électrons s’apparient dans un matériau supraconducteur. Les instantanés 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 des électrons, ainsi que des protons, des neutrons et certains styles d’atomes.
Dans ce cas, l’équipe du MIT a travaillé avec des fermions sous forme d’atomes de potassium 40, et dans des disorders simulant le comportement des électrons dans certains matériaux supraconducteurs. Ils ont développé une system pour imager un nuage surfondu d’atomes de potassium 40, ce qui leur a permis d’observer l’appariement des particules, même lorsqu’elles sont séparées par une petite length. Ils pouvaient également repérer des modèles et des comportements intéressants, comme la façon dont les couples formaient des damiers, qui étaient perturbés par des célibataires solitaires qui passaient.
Les observations, rapportées aujourd’hui dans Science, peuvent servir de modèle visuel pour la façon dont les électrons peuvent s’apparier dans les matériaux supraconducteurs. Les résultats peuvent également aider à décrire remark les neutrons s’apparient pour former un superfluide intensément dense et tourbillonnant dans les étoiles à neutrons.
“L’appariement des fermions est à la foundation de la supraconductivité et de nombreux phénomènes en physique nucléaire”, déclare l’auteur de l’étude Martin Zwierlein, professeur de physique Thomas A. Frank au MIT. “Mais personne n’avait vu ce few in situ. C’était donc époustouflant de voir enfin ces images à l’écran, fidèlement.”
Les co-auteurs de l’étude sont Thomas Hartke, Botond Oreg, Carter Turnbaugh et Ningyuan Jia, tous membres du département de physique du MIT, du MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms et du Analysis Laboratory of Electronics.
Une vue convenable
Observer directement la paire d’électrons est une tâche unattainable. Ils sont tout simplement trop petits et trop rapides pour être capturés avec les procedures d’imagerie existantes. Pour comprendre leur comportement, des physiciens comme Zwierlein se sont tournés vers des systèmes analogues d’atomes. Les électrons et certains atomes, malgré leur différence de taille, sont similaires en ce 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, qui sont 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 previous une paire, semblable aux électrons supraconducteurs. Mais dans des conditions normales de température ambiante, les atomes interagissent dans un flou difficile à saisir.
Pour avoir une bonne idée de leur comportement, Zwierlein et ses collègues étudient les particules comme un gaz très dilué d’environ 1 000 atomes, qu’ils placent dans des conditions ultra-froides et nanokelvin qui ralentissent les atomes. 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 carte pour localiser précisément les emplacements des atomes.
Et voir où les deux styles s’associent, et comment.
“C’était sacrément difficile d’arriver à un stage où nous pouvions réellement prendre ces visuals”, déclare Zwierlein. “Vous pouvez imaginer au début avoir de gros trous dans votre imagerie, vos atomes s’enfuir, rien ne fonctionne. Nous avons eu des problèmes terriblement compliqués à résoudre en laboratoire au fil des ans, et les étudiants avaient une grande endurance, et enfin, à pouvoir voir ces images était absolument exaltant.”
Danse en couple
Ce que l’équipe a vu était un comportement d’appariement parmi les atomes qui avait été prédit par le modèle de Hubbard – une théorie largement répandue censée détenir la clé du comportement des électrons dans les supraconducteurs à haute température, des matériaux qui présentent une supraconductivité relativement élevée (bien qu’encore très températures froides). Les prédictions de la façon dont les électrons s’apparient dans ces matériaux ont été testées grâce à ce modèle, mais jamais directement observées jusqu’à présent.
À partir de ces cartes, ils ont pu voir des carrés dans la grille avec un seul atome rouge ou bleu, et des carrés où un atome rouge et bleu s’appariait localement (représentés en blanc), ainsi que des carrés vides qui ne contenaient ni un atome rouge ou atome bleu (noir).
Des photos individuelles montrent déjà de nombreuses paires locales et des atomes rouges et bleus à proximité. En analysant des ensembles de centaines d’images, l’équipe a pu montrer que les atomes apparaissent en effet par paires, se liant parfois en une paire serrée dans un carré, et à d’autres moments formant des paires as well as lâches, séparées par un ou plusieurs espacements de grille. Cette séparation physique, ou « appariement non local », a été prédite par le modèle de Hubbard mais n’a jamais été directement observée.
Les chercheurs ont également observé que les collections de paires semblaient former un motif en damier as well as huge, et que ce motif vacillait dans et hors de la development 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”, take note Zwierlein.
Le comportement d’appariement entre ces atomes doit également se produire dans les électrons supraconducteurs, et Zwierlein dit que les nouveaux instantanés de l’équipe aideront à éclairer la compréhension des scientifiques des supraconducteurs à haute température, et peut-être donner un aperçu de la façon dont ces matériaux pourraient être réglés à des températures as well as élevées et plus pratiques..
“Si vous normalisez notre gaz d’atomes à la densité d’électrons dans un métal, nous pensons que ce comportement d’appariement devrait se produire bien au-dessus de la température ambiante”, propose Zwierlein. “Cela donne beaucoup d’espoir et de confiance que de tels phénomènes d’appariement peuvent en principe se produire à des températures élevées, et il n’y a pas de limite a priori à la raison pour laquelle il ne devrait pas y avoir un jour un supraconducteur à température ambiante.”
Cette recherche a été financée, en partie, par la Countrywide Science Foundation des États-Unis, le Bureau de la recherche scientifique de l’US Air Pressure et la bourse de la faculté Vannevar Bush.
