Une théorie novatrice explique le comportement énigmatique des cuprates

Lorsque les supraconducteurs ont été découverts en 1911, ils ont stupéfié les chercheurs par leur capacité à conduire l’électricité sans résistance. Toutefois, ils ne pouvaient le faire qu’à des températures proches du zéro absolu. Mais en 1986, les scientifiques ont découvert que les cuprates (une classe d’oxydes de cuivre) étaient supraconducteurs à une température relativement chaude de -225 degrés Fahrenheit (au-dessus de l’azote liquide) – une étape vers l’objectif ultime d’un supraconducteur qui pourrait fonctionner à une température proche de la température ambiante.

Les applications d’un tel supraconducteur comprennent des machines IRM compactes et portables, des trains en lévitation, des transmissions électriques à longue distance sans perte de puissance et des bits quantiques plus résistants pour les ordinateurs quantiques. Malheureusement, les cuprates sont un type de matériaux céramiques, ce qui rend leur application à l’échelle industrielle difficile – leur fragilité, par exemple, poserait des problèmes. Toutefois, si les chercheurs parvenaient à comprendre ce qui les rend supraconducteurs à des températures aussi élevées, ils pourraient recréer de tels processus dans d’autres matériaux. Malgré les nombreuses recherches, il n’y a toujours pas de consensus sur le mécanisme microscopique qui conduit à leur supraconductivité inhabituelle, ce qui rend difficile l’exploitation de leurs propriétés inhabituelles.

« Ils suscitent beaucoup d’enthousiasme, mais il est très difficile de comprendre ce qui les fait fonctionner. Pourquoi les températures critiques de la supraconductivité sont-elles si élevées ? », explique Sohrab Ismail-Beigi, professeur de physique appliquée à Strathcona. « Il n’existe pas de consensus clair sur une compréhension microscopique détaillée de la manière dont la structure de ces matériaux est liée à leurs propriétés. Il reste encore beaucoup d’inconnues sur ces matériaux, même si on les étudie depuis une trentaine d’années. »

Dans une nouvelle étude, Zheting Jin, un étudiant diplômé senior avec Ismail-Beigi, a utilisé de nouvelles méthodologies pour mieux comprendre certains liens structure-propriété clés dans les matériaux. Les résultats sont publiés dans Physical Review X.

Selon Ismail-Beigi, l’une des raisons pour lesquelles il est si difficile de comprendre les cuprates est la complexité de leur structure. Les chercheurs ont créé des modèles simplifiés de ces matériaux, mais ces modèles simples n’ont souvent pas permis d’obtenir des informations précieuses ou fiables.

Pour obtenir une image plus claire du fonctionnement des cuprates, Ismail-Beigi et Jin utilisent ce que l’on appelle la « théorie de la fonctionnelle de la densité » pour explorer l’importance de la complexité structurelle des cuprates en décrivant avec précision les principales propriétés structurelles, électroniques et magnétiques de ces matériaux. Ce faisant, « nous résolvons plusieurs énigmes de longue date concernant ce matériau ».

« Peut-on utiliser cette théorie pour prédire de nombreuses propriétés des cuprates ? La réponse est oui », a ajouté Ismail-Beigi. « Il suffit de faire deux choses. L’une d’entre elles consiste à utiliser une méthodologie de calcul actualisée. Le plus important est d’inclure la structure complexe réelle du matériau, car elle est importante. »

Les cuprates sont intéressants tant pour les sciences fondamentales que pour les sciences appliquées. Les ingénieurs, dit-il, veulent savoir comment ils peuvent augmenter les températures supraconductrices des cuprates. Les physiciens veulent savoir, du point de vue de la science fondamentale, pourquoi les cuprates sont de si bons supraconducteurs. Selon lui, la clé du succès réside dans la prise en compte de la complexité des structures.

« Quelle est la sauce magique ? Si l’on peut très bien décrire la structure complexe des matériaux et voir quels motifs structurels donnent lieu à quelles propriétés physiques, cela nous aidera peut-être à comprendre ce qui fait fonctionner les cuprates », a-t-il déclaré. « La structure est compliquée et influence les propriétés de manière importante. »

Il est également essentiel que les théoriciens et les expérimentateurs travaillent ensemble. Ismail-Beigi indique que son laboratoire travaille actuellement sur le problème des cuprates en étroite collaboration avec plusieurs équipes de recherche, notamment des groupes expérimentaux du département de physique appliquée de Yale, ainsi qu’avec des théoriciens qui utilisent des méthodes complémentaires à l’université de Californie, à Irvine.

« Je pense que c’est à cela que ressemblera l’avenir au cours de la prochaine décennie. Nous ferons des simulations détaillées de ces matériaux complexes à partir des premiers principes, puis nous nous serrerons la main avec d’autres théoriciens et expérimentateurs afin de résoudre lentement ce problème. »

Article : « First-Principles Prediction of Structural Distortions in the Cuprates and Their Impact on the Electronic Structure » – DOI : 10.1103/PhysRevX.14.041053

Source : Yale Engineering – Traduction Enerzine.com