Brian Josephson

Dans l'étreinte froide de l'hélium liquide, un phénomène apparemment impossible se déroule : un courant électrique circule sans effort, sans être entravé par la résistance. C'est la supraconductivité, un état quantique où les électrons se déplacent en parfaite harmonie. Mais en mille neuf cent soixante-deux, un jeune physicien britannique, Brian Josephson, a prédit quelque chose d'encore plus extraordinaire. Il a proposé que ce « supercourant » puisse traverser par effet tunnel quantique une mince barrière isolante séparant deux supraconducteurs, un exploit que la physique classique jugeait impossible.

Pour saisir la perspicacité de Josephson, nous devons d'abord comprendre la supraconductivité. Découvert par Heike Kamerlingh Onnes en mil neuf cent onze, cet état permet à certains matériaux, refroidis à une température proche du zéro absolu, de conduire l'électricité avec une résistance nulle. Les électrons, au lieu de se disperser, s'apparient en « paires de Cooper » – une danse quantique délicate leur permettant de glisser à travers le matériau sans entrave, transportant le courant indéfiniment. Ce phénomène quantique macroscopique a jeté les bases de futures percées.

Avant Josephson, l'idée que des électrons puissent se déplacer à travers un isolant semblait contradictoire. Cependant, les principes de la mécanique quantique permettent l'« effet tunnel ». Dans cet effet contre-intuitif, une particule peut traverser une barrière d'énergie, même si elle ne possède pas assez d'énergie classique pour la surmonter. C'est comme si une balle pouvait traverser un mur sans trou, une probabilité purement quantique. Ce phénomène avait déjà été observé dans les semi-conducteurs par Leo Esaki et dans les supraconducteurs par Ivar Giaever.

S'appuyant sur le concept de l'effet tunnel quantique, Brian Josephson, alors doctorant à Cambridge, a fait un bond théorique profond. Alors que des travaux antérieurs montraient que des électrons individuels traversaient un tunnel, Josephson a osé demander : des paires de Cooper pourraient-elles traverser un tunnel ? Plus important encore, un supraconducteur – un flux d'électrons appariés – pourrait-il traverser une fine couche isolante entre deux supraconducteurs sans qu'aucune tension ne soit appliquée ? C'était un départ radical, prédisant un effet quantique macroscopique.

La prédiction de Josephson, maintenant connue sous le nom d'effet Josephson DC, stipulait qu'un supercourant pouvait en effet circuler à travers une telle « jonction » même sans tension appliquée, jusqu'à un courant critique. Cela signifiait que la fonction d'onde quantique décrivant les paires de Cooper maintenait sa cohérence, ou sa « phase », à travers la barrière isolante. C'était une manifestation directe de la mécanique quantique à l'échelle macroscopique, quelque chose de vraiment étonnant.

Au-delà du supercourant continu, Josephson a également prédit l'effet Josephson alternatif : si une tension est appliquée à travers la jonction, le supercourant oscillerait à une fréquence incroyablement précise, proportionnelle à cette tension. Cette prédiction révolutionnaire signifiait qu'une tension pouvait être convertie en une fréquence, et vice-versa, avec une précision inégalée. Cette relation fondamentale est devenue une pierre angulaire de la métrologie de haute précision.

Les prédictions théoriques de Josephson furent rapidement confirmées expérimentalement en mille neuf cent soixante-deux, mille neuf cent soixante-trois par Philip Anderson et John Rowell aux laboratoires Bell. La clarté et la profondeur de son travail, développé pendant son doctorat, lui valurent une part du prix Nobel de physique en mille neuf cent soixante-treize, faisant de lui l'un des plus jeunes lauréats de tous les temps, à trente-trois ans. Son travail, aux côtés d'Esaki et Giaever, démontra la puissance de la mécanique quantique pour expliquer les phénomènes macroscopiques.

L'une des applications les plus remarquables de l'effet Josephson est le dispositif supraconducteur à interférence quantique, ou SQUID. Ces magnétomètres incroyablement sensibles peuvent détecter des champs magnétiques des millions de fois plus faibles que le champ magnétique terrestre. Les SQUID exploitent l'interférence quantique des supercourants traversant par effet tunnel deux jonctions Josephson parallèles, créant ainsi un détecteur de champ magnétique très sensible.

Les SQUID ont révolutionné des domaines allant de la médecine, en cartographiant les champs magnétiques incroyablement faibles produits par l'activité cérébrale (magnétoencéphalographie, MEG), à la géologie, en détectant de subtiles anomalies magnétiques profondément sous terre. Au-delà des SQUID, les jonctions Josephson sont des composants fondamentaux de l'informatique quantique, agissant comme des qubits supraconducteurs. Leur comportement quantique précis, prédit par Josephson, offre une voie pour débloquer une puissance de calcul inégalée.

Le travail pionnier de Brian Josephson a jeté un pont entre le monde microscopique de la mécanique quantique et les phénomènes macroscopiques observables. Ses équations, élaborées alors qu'il était étudiant, ont non seulement révélé un nouvel effet quantique, mais ont également donné naissance à une génération de capteurs ultra-sensibles et posé les bases des futures technologies quantiques. Son héritage nous rappelle que même les prédictions théoriques les plus abstraites peuvent transformer radicalement notre compréhension de la physique et alimenter les innovations de demain.