Un nouvel état théorique de la matière permet de conduire électricité et énergie sans aucune perte

energie electricite
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Générer et acheminer de l’énergie sans aucune perte est un vieux rêve de physicien. Que ce soit pour l’électricité ou d’autres formes d’énergies, des pertes thermiques et frictionnelles sont toujours présentes lors de la conduction. Au cours des dernières années, les physiciens ont élaboré des supraconducteurs pour transporter l’électricité, et des condensats d’excitons pour transporter de l’énergie, sans aucune perte. Mais ces matériaux ont des propriétés de fabrication et fonctionnement très contraignantes. Cependant, récemment, des chercheurs américains ont théorisé l’existence d’un état de la matière combinant les propriétés des deux matériaux simultanément. 

Trois physiciens de l’Université de Chicago pensent qu’il pourrait y avoir un moyen de fabriquer un matériau capable de conduire à la fois l’électricité et l’énergie avec une efficacité de 100%, sans aucune perte à cause de la chaleur ou du frottement. L’étude, publiée dans la revue Physical Review B, suggère un cadre pour un type de matière entièrement nouveau, qui pourrait avoir des applications technologiques très utiles dans le monde réel. Bien que la prédiction soit théorique, des efforts sont en cours pour la tester expérimentalement.

« Nous avons commencé par essayer de répondre à une question vraiment fondamentale, pour déterminer si c’était possible — nous pensions que ces deux propriétés pourraient être incompatibles dans un seul matériau. Mais à notre grande surprise, nous avons constaté que les deux états se sont en fait enchevêtrés à un niveau quantique, et se renforcent donc mutuellement », explique le physicien David Mazziotti.

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Supraconducteurs et condensats d’excitons: des matériaux contraignants

Puisqu’une quantité incalculable d’énergie est perdue chaque année sur les lignes électriques, les moteurs et les machines, les scientifiques sont impatients de trouver des alternatives plus efficaces. « À bien des égards, c’est la question la plus importante du 21e siècle : comment générer et déplacer de l’énergie avec une perte minimale », indique Mazziotti.

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. La supraconductivité est définie par une résistivité électrique nulle et l’expulsion du champ magnétique. Cependant, les supraconducteurs sont très contraignants à faire fonctionner. Crédits : CNRS

Nous connaissons les supraconducteurs depuis plus d’un siècle. Mais ce n’est qu’au cours des dernières années que les physiciens ont réussi à fabriquer un matériau similaire en laboratoire qui peut conduire de l’énergie avec une perte presque nulle, appelé condensat d’excitons. Mais les supraconducteurs et les condensats d’excitons sont des matériaux délicats à fabriquer et à faire fonctionner, en partie parce que les physiciens ne les comprennent pas pleinement, et que la théorie sous-jacente est incomplète.

Un état de la matière combinant simultanément les propriétés des deux matériaux

Nous savons cependant que les deux impliquent la physique quantique. Lee Ann Sager a commencé à se demander comment les deux états pouvaient être générés dans le même matériau. Le groupe de Mazziotti est spécialisé dans l’exploration des propriétés et des structures des matériaux et des substances chimiques à l’aide du calcul, elle a donc commencé à tester différentes combinaisons dans un modèle informatique.

« Nous avons analysé de nombreuses possibilités, puis à notre grande surprise, nous avons trouvé une région où les deux états pourraient exister ensemble ». Il semble que dans la bonne configuration, les deux états soient quantiquement intriqués. Cela remet en question la notion conventionnelle selon laquelle les deux états ne sont pas liés, ce qui pourrait ouvrir un nouveau champ de recherche pour des condensats à paires d’excitons et de fermions doubles.

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etats paires
L’état modélisé par les chercheurs combine condensat de fermions (rouge, paires particules-particules) et condensat d’excitons (bleu, paires particules-trous) ; ces deux états sont intriqués quantiquement et agissent simultanément. Crédits : LeeAnn M. Sager et al. 2020

En utilisant des mathématiques avancées, ils ont montré que grâce à l’intrication quantique, les condensats doubles devraient théoriquement exister même à la taille macroscopique. Les auteurs travaillent avec des groupes d’ingénierie expérimentaux pour voir si cette prédiction peut être réalisée dans des matériaux réels.

« Pouvoir combiner la supraconductivité et les condensats d’excitons serait incroyable pour de nombreuses applications — électronique, spintronique, informatique quantique. Bien que ce soit une première étape, cela semble extrêmement prometteur », concluent les chercheurs.

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Sources : Physical Review B

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