Le MIT révèle une nouvelle facette de la supraconductivité

Sous certaines conditions, généralement extrêmement froides, des matériaux modifient leur structure pour révéler un comportement supraconducteur. Ce changement structurel est connu sous le nom de « transition nématique » et les physiciens pensent qu’il offre un nouveau moyen de pousser les matériaux vers un état supraconducteur où les électrons peuvent circuler sans aucune friction.

Toutefois, qu’est-ce qui provoque précisément cette transition ? La réponse à cette question pourrait aider les scientifiques à améliorer les supraconducteurs existants et à en découvrir de nouveaux.

Le mystère des supraconducteurs à haute température

Récemment, des physiciens du MIT ont identifié le mécanisme clé de la transition nématique d’une classe de supraconducteurs. Cette découverte, faite en étudiant le séléniure de fer (FeSe), va à l’encontre des suppositions de nombreux scientifiques.

Le FeSe est un matériau bidimensionnel et le supraconducteur à base de fer le plus performant en température. Il est connu pour passer à un état supraconducteur à des températures atteignant 70 kelvins (soit près de -300 degrés Fahrenheit). Bien que cela reste extrêmement froid, cette température de transition est supérieure à celle de la plupart des matériaux supraconducteurs.

De nouvelles perspectives pour les applications technologiques

Plus la température à laquelle un matériau peut présenter une supraconductivité est élevée, plus il est prometteur pour une utilisation dans le monde réel, comme la réalisation d’électroaimants puissants pour des machines d’IRM plus précises et légères ou des trains à lévitation magnétique à grande vitesse.

Pour réaliser de telles applications, les scientifiques devront d’abord comprendre ce qui déclenche une bascule nématique dans les supraconducteurs à haute température comme le séléniure de fer. Dans d’autres matériaux supraconducteurs à base de fer, les scientifiques ont observé que ce basculement se produit lorsque les atomes modifient brusquement leur spin magnétique vers une direction magnétique préférée.

Cependant, l’équipe du MIT a découvert que le séléniure de fer bascule par un mécanisme entièrement nouveau. Au lieu de subir un changement coordonné des spins, les atomes du séléniure de fer subissent un déplacement collectif de leur énergie orbitale. C’est une nuance subtile, mais qui ouvre une nouvelle voie vers la découverte de supraconducteurs non conventionnels.

Une nouvelle avancée dans la compréhension de la supraconductivité

« Notre étude redistribue un peu les cartes en ce qui concerne le consensus qui avait été créé sur ce qui provoque la nématique, » déclare Riccardo Comin, professeur associé de physique au MIT. « Il y a de nombreux chemins pour atteindre la supraconductivité non conventionnelle. Cela offre une voie supplémentaire pour réaliser des états supraconducteurs.« 

La nématique, fil conducteur des phénomènes physiques coordonnés

Le terme « nématique » dérive du mot grec « nema« , qui signifie « fil », utilisé par exemple pour décrire le corps filiforme du ver de nématode. Il est également employé pour décrire des fils conceptuels, comme des phénomènes physiques coordonnés. Par exemple, dans l’étude des cristaux liquides, un comportement nématique peut être observé lorsque les molécules s’assemblent en lignes coordonnées.

Au cours des dernières années, les physiciens ont utilisé la nématique pour décrire un changement coordonné qui pousse un matériau vers un état supraconducteur. Des interactions fortes entre les électrons font que le matériau dans son ensemble s’étire infiniment, comme du taffy microscopique, dans une direction particulière qui permet aux électrons de circuler librement dans cette direction.

Supraconductivité : une continuité de mécanismes à explorer

Dans leur nouvelle étude, les chercheurs ont travaillé avec des échantillons ultraminces de séléniure de fer, qu’ils ont collés sur une fine bande de titane. Ils ont imité l’étirement structurel qui se produit lors d’une transition nématique en étirant physiquement la bande de titane, ce qui a à son tour étiré les échantillons de séléniure de fer.

En utilisant des rayons X ultra-lumineux, l’équipe a suivi comment les atomes de chaque échantillon bougeaient, ainsi que le comportement des électrons de chaque atome. Au bout d’un certain temps, ils ont observé un déplacement coordonné et définitif des orbitales atomiques.

« Ce que nous avons montré, c’est qu’il y a des physiques sous-jacentes différentes quand il s’agit de nématique par spin par rapport à la nématique orbitale, et qu’il va y avoir un continuum de matériaux qui oscillent entre les deux, » explique Occhialini, étudiant en doctorat au MIT. Comprendre où vous vous situez dans ce paysage sera important pour la recherche de nouveaux supraconducteurs. »

Cette recherche, menée en collaboration avec Connor Occhialini, Shua Sanchez et Qian Song du MIT, ainsi que Gilberto Fabbris, Yongseong Choi, Jong-Woo Kim et Philip Ryan du laboratoire national d’Argonne, a été publiée dans la revue Nature Materials.

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