Les supraconducteurs à haute température possèdent un état fantôme qui hante la physique de la matière condensée depuis des décennies. Refroidissez un matériau cuprate et, avant de devenir supraconducteur, il traverse une étrange phase où le matériau se comporte comme un métal, mais avec quelque chose en moins : une lacune dans ses excitations de basse énergie qui ne devrait pas exister. Cette phase de pseudogap est inférée, débattue et modélisée depuis trente ans, mais toujours indirectement, car les matériaux réels sont trop complexes pour être contrôlés.
Une équipe de Harvard vient de reproduire cet état atome par atome. Dans Nature, des chercheurs dirigés par Markus Greiner rapportent la première caractérisation expérimentale du métal à pseudogap dans le modèle de Fermi-Hubbard, la description théorique minimaliste d’électrons en interaction sur un réseau qui sous-tend la physique des cuprates. Ils l’ont construite avec des atomes ultrafroids dans un réseau optique, un microscope à gaz quantique qui leur permet de placer, d’imager et de manipuler des atomes individuels, et ont refroidi le système suffisamment pour voir apparaître le pseudogap.
L’expérience
Le modèle de Fermi-Hubbard décrit des électrons sautant entre les sites d’un réseau, avec une énergie d’interaction lorsque deux d’entre eux occupent le même site. Les isolants de Mott dopés, le régime pertinent pour les cuprates, ont résisté à l’accès expérimental car les températures requises sont extraordinairement basses. Une avancée de 2025 dans les simulateurs cryogéniques à atomes neutres a fourni au groupe de Harvard la réduction de température d’un facteur plusieurs qui était nécessaire.
L’équipe a eu recours à des mesures thermodynamiques et spectroscopiques sur le simulateur à atomes froids. Au refroidissement, la compressibilité (la facilité avec laquelle le système absorbe des particules) présentait un maximum à dopage intermédiaire, un point d’inflexion dans l’équation d’état. Le suivi de ce maximum en fonction de l’intensité des interactions a révélé une ligne d’anomalies thermodynamiques séparant un métal sous-dopé d’un métal surdopé à fortes interactions. Les spectres de modulation du réseau dans le régime sous-dopé ont montré une perte de réponse de basse énergie, en particulier dans les régions antinodales de la zone de Brillouin, la signature d’un pseudogap. À partir de ces données, ils ont construit un diagramme de phase du pseudogap en fonction des interactions et du dopage.
Ce qu’est le pseudogap
Dans un métal normal, les électrons à la surface de Fermi peuvent être excités avec des énergies arbitrairement faibles. Dans la phase de pseudogap, ces excitations de basse énergie sont partiellement supprimées, une lacune qui n’est pas tout à fait une lacune complète, d’où son nom. Dans les cuprates, le pseudogap se situe dans le régime de dopage adjacent à la supraconductivité à haute température, et sa compréhension est considérée comme centrale pour expliquer pourquoi ces matériaux deviennent supraconducteurs à des températures qu’aucune théorie conventionnelle ne prédit.
Le modèle de Hubbard est la théorie minimale qui rend compte de cette physique, et le simulateur à atomes froids offre désormais une fenêtre expérimentale directe sur elle. Les mesures confirment l’existence du métal à pseudogap dans le modèle, caractérisent sa position dans le diagramme de phase et suggèrent des liens avec l’ordre de charge qui pourront être étudiés dans de futurs travaux.
La portée
C’est un cas où la simulation quantique tient sa promesse : utiliser un système quantique contrôlable pour répondre à des questions sur un système moins contrôlable. La plateforme à atomes froids ne peut pas reproduire toute la complexité d’un cuprate, c’est un système modèle, pas un matériau, mais c’est précisément là tout l’intérêt. En isolant le comportement du modèle de Hubbard, l’expérience teste si le pseudogap est une caractéristique du modèle lui-même, et donc une pièce authentique du puzzle des cuprates, ou un artefact des complications propres aux matériaux réels.
Les comparaisons numériques de l’équipe (Monte Carlo quantique dynamique et diagonalisation exacte sur de petits clusters) appuient les résultats expérimentaux. Le pseudogap apparaît dans le modèle, au bon endroit, avec les bonnes signatures spectroscopiques. Les prochaines questions sont déjà visibles : le pseudogap est-il lié à l’ordre de charge, et le même simulateur peut-il être poussé jusqu’au régime où la supraconductivité elle-même émerge. Le pseudogap, longtemps une ombre, a désormais un visage.
Traduit par Lydie
Sources
- Kendrick, L.H., Kale, A., Gang, Y., Deters, A.D., Lebrat, M., Young, A.W., Greiner, M. “Pseudogap in a Fermi-Hubbard quantum simulator.” Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-10875-z
- Xu et al., Nature 642:909-915 (2025)