Une valse fermionique – Des scientifiques observent des motifs inattendus dans des paires d’atomes

Les supraconducteurs, matériaux dans lesquels le courant électrique circule sans résistance, sont très prometteurs pour les technologies futures, qu’il s’agisse du transport ultra-efficace d’énergie, permettant de réduire la consommation mondiale d’électricité, ou d’appareils électroniques et d’ordinateurs portables sans chauffage. Notre compréhension théorique de la supraconductivité remonte à plus d’un demi-siècle, avec la théorie de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS), qui explique comment les électrons d’un conducteur peuvent s’apparier grâce à des interactions attractives, permettant ainsi au courant de circuler librement.

Les scientifiques pensent cependant que ce couplage n’explique pas tout : les fermions forment des paires au sein d’un collectif d’autres particules qui peuvent influencer leur mouvement, un peu comme les couples dansant dans une salle de bal doivent éviter de se heurter les uns aux autres. De nombreux détails concernant cette organisation microscopique des fermions appariés restent encore obscurs, car cela nécessite d’étudier directement leur organisation spatiale.

Historiquement, les électrons sont les danseurs centraux de cette histoire, mais ce qui est essentiel pour l’appariement est plus général. Premièrement, les particules impliquées doivent être des fermions, qui constituent (avec les bosons) l’une des deux classes fondamentales de particules dans l’univers, et auxquelles appartiennent les électrons. Deuxièmement, les particules doivent subir des interactions attractives. En isolant ces ingrédients essentiels en laboratoire, les physiciens peuvent recréer et étudier la physique de la supraconductivité de manière très contrôlée.

Dans un article récemment publié dans Physical Review Letters [1], une équipe d’expérimentateurs de l’École Normale Supérieure de Paris, dirigée par Tarik Yefsah, chercheur au CNRS, en collaboration avec Shiwei Zhang, du Flatiron Institute de New York, et Yuan-Yao He, de l’Institut de physique moderne de l’Université du Nord-Ouest à Xi’an, a observé directement la formation de paires de fermions. Les chercheurs ont utilisé un simulateur quantique à base de lithium, une expérience dans laquelle un gaz d’atomes de Lithium fermionique est refroidi à des températures proches du zéro absolu, afin d’étudier la salle de bal fermionique au niveau le plus fondamental.

S’appuyant sur leurs travaux antérieurs avec des fermions non interagissants [2], l’équipe a utilisé un microscope à gaz quantique capable de voir des atomes individuels [3]. En ajoutant et en contrôlant les interactions entre particules, ils ont observé comment les positions des particules se sont progressivement appariées à mesure que leur attraction mutuelle augmentait. Au-delà de la simple formation de paires, les atomes ont également révélé de surprenants motifs à longue portée, dans lesquels les positions de particules éloignées devenaient dépendantes les unes des autres. Ces corrélations inattendues, qui ne sont pas prévues par la théorie BCS originale, ont été confirmées par des calculs numériques exacts de pointe. Ces travaux fournissent la première vision quantitative en espace réel de la manière dont les paires se forment, révélant de nouvelles règles d’organisation des fermions en interaction que la théorie classique des paires ne parvient pas à saisir, même dans des régimes que l’on croyait bien compris depuis longtemps.

Les chercheurs sont allés plus loin en étudiant le lien entre les corrélations à deux particules et celles à trois particules. Dans l’analogie de la salle de bal, cela révèle comment un couple de danseurs prête attention au danseur le plus proche d’un autre couple. De plus, en utilisant la perte contrôlée d’atomes lorsqu’ils sont imagés à proximité les uns des autres, ils ont mesuré avec précision la force avec laquelle les particules s’apparient à courte distance lorsque les interactions varient.

Dans leur ensemble, ces résultats fournissent une nouvelle image intuitive de la manière dont les fermions s’organisent au niveau microscopique. En révélant des principes jusqu’alors cachés qui façonnent la matière quantique, l’expérience ouvre une nouvelle voie vers la compréhension des matériaux complexes, tels les supraconducteurs.

Ce travail a été sélectionné comme Editor’s Suggestion dans Physical Review Letters et est présenté dans un Viewpoint de la revue Physics. 

References

• C. Daix et al., Observing Spatial Charge and Spin Correlations in a Strongly-Interacting Fermi Gas, Physical Review Letters, 136, 153402 (2026)
• T. de Jongh et al., Quantum gas microscopy of fermions in the continuum, Physical Review Letters, 134 (18), 183403 (2025)
• J. Verstraten et al., In Situ Imaging of a Single-Atom Wave Packet in Continuous Space, Physical Review Letters, 134 (8), 083403 (2025)

Pour plus d’information :

– L’article: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/2t2k-3ftx
– Le viewpoint de la revue Physics: https://physics.aps.org/articles/v19/54
– La revue de press de la Simons Foundation : https://www.simonsfoundation.org/2026/04/15/scientists-capture-superconductivitys-dancing-pairs-for-first-time-filling-gap-in-decades-old-theory/