La supraconductivité possède de nombreuses applications pratiques importantes, notamment la création d’aimants puissants utilisés dans les examens médicaux à haute résolution, le transport efficace de l’électricité et la construction de dispositifs de mesure ultra-sensibles. Jusqu’à présent, comprendre ce qui se cache exactement derrière ce phénomène unique à haute température a échappé aux scientifiques pendant de nombreuses décennies.
Mais une recherche pionnière, menée par des physiciens de l’Université de Bristol et publiée cette semaine dans la revue Nature Physics, a identifié le mécanisme essentiel qui explique comment les électrons de ces supraconducteurs à haute température à base d’oxyde de cuivre s’associent pour transmettre la puissance sans aucune perte d’énergie – l’état « supraconducteur » de conduction électrique infinie.
Le co-auteur principal de l’étude, Nigel Hussey, professeur de physique à l’Université de Bristol, a déclaré : « La supraconductivité est un phénomène remarquable, presque magique, qui fascine depuis longtemps de célèbres physiciens et qui a donné lieu à diverses percées récompensées par des prix Nobel au fil des décennies.
« Les processus qui facilitent la supraconductivité à plus haute température sont toutefois restés une source de mystère et de fascination. Grâce à des mesures effectuées au Laboratoire européen des champs magnétiques, aux Pays-Bas, et à une analyse subséquente minutieuse, nous avons trouvé la preuve irréfutable qui résout une partie de l’équation et explique ce qui est à l’origine de cet état déroutant. »
Dans les supraconducteurs conventionnels, qui fonctionnent à plus basse température, le mécanisme par lequel les électrons deviennent supraconducteurs implique les vibrations des ions qui composent le réseau cristallin du matériau. Depuis de nombreuses années, les scientifiques recherchent un nouveau mécanisme pour la supraconductivité à haute température, impliquant probablement des entités qui vibrent à des fréquences plus élevées que les ions eux-mêmes. Les électrons étaient les principaux candidats, car ils possèdent à la fois un spin – comme une toupie en rotation, produisant un minuscule champ magnétique – et une charge produisant un courant capable de fluctuer dans l’espace et dans le temps.
Bien que les fluctuations de spin et de charge aient été cartographiées avec une précision remarquable dans ces matériaux à base d’oxyde de cuivre, en grande partie grâce aux efforts du Professeur Stephen Hayden et de son groupe à Bristol, la preuve reliant la force de l’interaction entre les électrons de conduction et ces fluctuations avec Tc – la température critique en dessous de laquelle le matériau devient supraconducteur – manquait. Comme pour les supraconducteurs conventionnels, toutefois, cette information est codée dans la résistance du matériau, et l’extraction de cette information à partir de la résistance elle-même était censée détenir la clé de l’identification de l’interaction pertinente.
L’équipe de scientifiques internationaux de Bristol, des Pays-Bas, de Chine et des États-Unis a donc créé un échantillon spécial de cuprate en film mince – en l’occurrence de l’oxyde de cuivre de lanthane et de cérium – et l’a déposé couche atomique par couche atomique sur un substrat afin de créer un gradient régulier de Tc – de sa valeur maximale à zéro – sur toute sa longueur.
À l’aide de la lithographie, les chercheurs ont ensuite façonné une série de contacts électriques le long du film afin de permettre de mesurer la résistance en fonction de valeurs finement espacées de Tc, tout en maintenant le même niveau de désordre sur l’ensemble du film. Une série d’expériences a été réalisée dans l’installation à champs magnétiques intenses pour extraire la variation de la résistance en fonction de la température, de l’intensité du champ magnétique et de Tc.
L’expérimentatrice principale de l’étude, la docteure Caitlin Duffy, chercheuse postdoctorale au Centre national de la recherche scientifique français et ancienne doctorante du professeur Hussey, a expliqué : « En appliquant quelques astuces analytiques aux données obtenues dans des champs magnétiques intenses, nous avons ensuite pu identifier la source dominante de la résistance dans ce matériau comme étant la diffusion sur les spins fluctuants. La corrélation entre la force de cette interaction et Tc a alors confirmé que l’origine de la supraconductivité dans ce matériau est bien l’interaction entre les électrons de conduction et les fluctuations de spin. »
Bien que cela constitue en soi une avancée majeure, les chercheurs n’ont résolu que la moitié de l’énigme de la supraconductivité, car il existe deux façons d’induire la supraconductivité dans l’oxyde de cuivre parent. L’une consiste à introduire des électrons, comme ils l’ont fait ici en substituant le lanthane par le cérium ; l’autre consiste à retirer des électrons, ou à introduire dans le système ce qu’on appelle des « trous », par d’autres substitutions chimiques.
« Or, il se trouve que les valeurs vraiment élevées de Tc ne se rencontrent que du côté dopé en trous. Étant donné que notre étude détermine précisément comment la supraconductivité émerge lorsque des électrons sont dopés dans le système, il est tentant de supposer que, pour augmenter Tc du côté dopé en trous, il suffirait d’augmenter la force du couplage à ces spins fluctuants, ou de les faire fluctuer à une fréquence plus élevée », a ajouté le professeur Hussey.
« Mais les choses ne sont pas si simples. Bien que les cuprates dopés en électrons et dopés en trous soient taillés dans le même tissu, ils sont cousus selon des motifs différents. En effet, la comparaison de ces résultats avec nos précédentes études à champ élevé sur les homologues dopés en trous nous apprend qu’il doit exister un second ingrédient, manquant, responsable des valeurs plus élevées de Tc du côté dopé en trous. Nous avons trouvé le premier ingrédient clé ; il s’agit désormais d’aller chercher le second. Ce n’est qu’alors que les théoriciens pourront construire l’histoire complète de la supraconductivité à haute température. À mon avis, quiconque réussira cette quête sera assurément un candidat sérieux à un futur prix Nobel de physique. »
Article : ‘Evidence for spin-fluctuation-mediated pairing in electron-doped cuprates’ – Journal : Nature Physics – DOI : Lien vers l’étude
Source : Bristol U
