La supraconductivité a été découverte en 1911, mais ses propriétés et caractéristiques n'ont pas encore été complètement étudiées. De nouvelles recherches sur les nanofils aident à comprendre comment ce phénomène se perd.
Le problème de garder les boissons froides en été chaud est une leçon classique de changement de phase. Ils doivent être étudiés, la substance doit être chauffée et les changements de ses propriétés doivent être observés. Lorsque vous atteignez le point dit critique, ajoutez de l'eau ou de la chaleur - et regardez comment la substance se transforme en gaz (ou en vapeur).
Imaginez maintenant que vous avez tout refroidi à des températures très basses - à tel point que tous les effets thermiques ont disparu. Bienvenue dans la réalité quantique, où la pression et les champs magnétiques n'affectent en rien l'émergence de nouvelles phases! Ce phénomène est appelé transition de phase quantique. Contrairement à une transition conventionnelle, une transition quantique forme des propriétés complètement nouvelles, comme la supraconductivité (dans certains matériaux).
Si vous appliquez une tension à un métal supraconducteur, les électrons traverseront le matériau sans résistance et le courant électrique circulera indéfiniment, sans ralentir ni générer de chaleur. Certains métaux deviennent supraconducteurs à haute température, ce qui est important dans le cas de la transmission de puissance et du traitement de données à base de supraconducteurs. Les scientifiques ont découvert ce phénomène il y a 100 ans, mais le mécanisme de la supraconductivité lui-même reste un mystère, car la plupart des matériaux sont trop complexes pour comprendre la physique de la transition de phase quantique en détail. La meilleure stratégie dans ce cas est donc de se concentrer sur l'apprentissage de systèmes modèles moins complexes.
Des physiciens de l'Université de l'Utah ont découvert que les nanofils supraconducteurs fabriqués à partir d'un alliage molybdène-germanium subissent des transitions de phase quantique du métal supraconducteur au métal ordinaire lorsqu'ils sont placés dans un champ magnétique ordinaire à basse température. Cette étude a d'abord révélé le processus microscopique par lequel un matériau perd sa supraconductivité: un champ magnétique brise des paires d'électrons - des paires de Cooper interagissant avec d'autres paires du même type - et elles subissent une force d'amortissement des électrons non appariés dans le système.
La recherche est détaillée dans une théorie critique proposée par Adrian Del Maestro, professeur adjoint à l'Université du Vermont. La théorie décrit avec précision comment l'évolution de la supraconductivité dépend de la température critique, de l'amplitude du champ magnétique et de l'orientation, de la section transversale du nanofil et des caractéristiques microscopiques du matériau à partir duquel il est fabriqué. C'est la première fois dans le domaine de la supraconductivité que tous les détails d'une transition de phase quantique sont prédits par la théorie, confirmés sur des objets réels en laboratoire.
«Les transitions de phase quantique peuvent sembler très exotiques, mais elles sont observées dans de nombreux systèmes - des centres des étoiles aux noyaux atomiques, ainsi que des aimants aux isolants, - a déclaré Andrey Rogachev, professeur adjoint à l'Université de l'Utah et auteur principal de l'étude. «Une fois que nous comprenons les vibrations quantiques dans ce système plus simple, nous pouvons parler de chaque détail du processus microscopique et l'appliquer à des objets plus complexes.»
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