Décrites pour la première fois en 1956, les paires de Cooper sont des états liés d’électrons à basse température responsables du phénomène de supraconductivité. Dans les modèles quantiques actuels, ces paires peuvent être à l’origine soit d’une résistance électrique nulle, soit d’une isolation électrique. Cependant, des physiciens ont découvert un nouvel état de la matière dans lequel les paires de Cooper permettent de conduire l’électricité tout en générant une certaine résistance, tout comme le métal ordinaire. Un phénomène non prévu par la physique de la matière condensée et qui pourrait déboucher sur le développement de nouveaux appareils électroniques.

Pendant des années, les physiciens ont supposé que les paires de Cooper, les duos d’électrons qui permettent aux supraconducteurs de conduire l’électricité sans résistance, étaient des systèmes binaires. Les paires glissent librement, créant un état supraconducteur, ou un état isolant en se coinçant dans un matériau, incapables de se déplacer.

Paires de Cooper : elles peuvent combiner conductivité et résistance électrique

Mais dans un nouvel article publié dans la revue Science, une équipe de chercheurs a montré que les paires de Cooper peuvent également conduire l’électricité avec une certaine résistance, comme le font les métaux ordinaires. Les résultats décrivent un tout nouvel état de la matière, selon les chercheurs, qui nécessitera une nouvelle explication théorique.

« Il avait été prouvé que cet état métallique se formerait dans les supraconducteurs à couche mince à mesure qu’ils refroidiraient jusqu’à leur température supraconductrice, mais la question de savoir si cet état impliquait des paires de Cooper est une question ouverte » déclare Jim Valles, professeur de physique à l’université de Brown.

« Nous avons développé une technique qui nous permet de répondre à cette question et nous avons montré que, de ce fait, les paires de Cooper sont responsables du transport de la charge dans cet état métallique. Ce qui est intéressant, c’est que personne n’est vraiment certain de la manière dont cela fonctionne. Cette découverte nécessitera donc davantage de travail théorique et expérimental pour comprendre exactement ce qui se passe ».

Paires de Cooper et supraconductivité

Les paires de Cooper portent le nom de Leon Cooper, professeur de physique à Brown, lauréat du prix Nobel en 1972 pour avoir décrit leur rôle dans la supraconductivité. La résistance est créée quand des électrons vibrent dans le réseau atomique d’un matériau lorsqu’ils se déplacent. Mais lorsque les électrons s’unissent pour devenir des paires de Cooper, ils subissent une transformation remarquable.

paires cooper supraconductivite theorie BCS

La théorie BCS explique le phénomène de supraconductivité par l’apparition de paires de Cooper. À très basse température, les électrons s’apparient par paire (b), formant ainsi de nombreuses paires de Cooper au sein du matériau (c). Ces paires occupent le même état quantique fondamental et forment une onde quantique unique (d). Les paires de Cooper sont traitées comme des bosons, elles obéissent à la statistique de Bose-Einstein et ne sont pas soumises au principe d’exclusion de Pauli. Crédits : CNRS

Les électrons en eux-mêmes sont des fermions, des particules qui obéissent au principe d’exclusion de Pauli, ce qui signifie que chaque électron a tendance à conserver son propre état quantique. Les paires de Cooper cependant, agissent comme des bosons, qui peuvent partager avec le même état. Ce comportement bosonique permet aux paires de Cooper de coordonner leurs mouvements avec d’autres ensembles de paires de Cooper, de manière à réduire la résistance électrique à zéro.

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Un nouvel état bosonique des paires de Cooper

En 2007, Valles, en collaboration avec Jimmy Xu, professeur d’ingénierie et de physique à Brown, a montré que les paires de Cooper pouvaient également produire des états isolants ainsi que la supraconductivité. Dans des matériaux très minces, plutôt que de se déplacer de concert, les couples restent en place, groupés par îlots sans moyen de rejoindre ceux aux alentours.

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Observation au microscope électronique à balayage du matériau utilisé pour l’expérience : un supraconducteur YBCO doté d’un réseau de minuscules trous pour étudier la dynamique des paires de Cooper. Crédits : Brown University

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Pour cette nouvelle étude, Valles, Xu et ses collègues, ont recherché des paires de Cooper à l’état métallique non supraconducteur en utilisant une technique similaire à celle qui révélait des isolants de paires de Cooper. Cette technique consiste à modeler un supraconducteur à couche mince, en l’occurrence un oxyde d’yttrium, de baryum et de cuivre (YBCO) supraconducteur à haute température, avec des réseaux de minuscules trous.

Lorsque le matériau est traversé par un courant et est exposé à un champ magnétique, les porteurs de charge du matériau gravitent autour des trous comme de l’eau entourant un drain. « Nous pouvons mesurer la fréquence à laquelle ces charges tournent autour. Dans ce cas, nous avons constaté que la fréquence est compatible avec le fait que deux électrons circulent à la fois au lieu d’un seul. Nous pouvons donc en conclure que les porteurs de charge dans cet état sont des paires de Cooper et non des électrons » déclare Valles.

Vers le développement potentiel de nouveaux appareils électroniques

Le fait que ce phénomène ait été détecté dans un supraconducteur à haute température rendra les recherches futures plus pratiques. Le type YBCO commence sa supraconductivité à environ -181 °C et la phase métallique débute à une température juste supérieure à celle-ci. Cette température plus élevée facilite l’utilisation de la spectroscopie et d’autres techniques visant à mieux comprendre ce qui se passe dans cette phase métallique.

Selon les chercheurs, il serait peut-être possible d’exploiter cet état métallique bosonique pour de nouveaux types d’appareils électroniques. « Le problème avec les bosons, c’est qu’ils ont tendance à être dans un état d’ondes plus semblable à celui des électrons. Nous parlons donc d’une phase et d’une interférence similaires à celles de la lumière. Il pourrait donc y avoir de nouvelles modalités pour déplacer la charge dans les appareils en jouant avec les interférences entre les bosons » conclut Valles.

Sources : Science

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