Le mystère de la supraconductivité du strontium ruthénate (Sr2RuO4), un matériau qui ne présente aucune résistance électrique en dessous d’une certaine température, est en passe d’être résolu. Une étude récente révèle comment la mécanique quantique et la pression mécanique peuvent influencer la température de transition de ce matériau, ouvrant de nouvelles perspectives pour l’optimisation des matériaux supraconducteurs.
Le strontium ruthénate est un matériau qui a longtemps défié la compréhension des scientifiques en raison de sa supraconductivité.
« La théorie conventionnelle ne peut pas être appliquée au strontium ruthénate. Mais la mécanique quantique aide, car elle ne peut pas seulement être utilisée pour décrire les propriétés des atomes et des molécules individuels. Elle explique également les propriétés collectives des systèmes à plusieurs particules », explique le professeur Jörg Schmalian, directeur de l’Institut de physique de la matière condensée théorique (TKM) du KIT.
L’augmentation de la température de transition
Le professeur Schmalian est l’un des principaux auteurs de l’étude publiée dans Science. En 2022, des chercheurs de plusieurs instituts du KIT et du MPI CPfS ont publié un article dans Nature.
Ils ont rapporté que la pression mécanique dans une certaine direction augmentait considérablement la température de transition du strontium ruthénate et, par conséquent, modifiait le comportement d’excitation des électrons.
En collaboration avec des partenaires internationaux, les chercheurs de Karlsruhe et de Dresde ont maintenant découvert que cette pression qui augmente la supraconductivité rend les matériaux beaucoup plus souples et facilite la déformation. Les chercheurs ont attribué cela à la résonance de la mécanique quantique des oscillations électroniques.
La transition de Lifshitz et l’interaction des propriétés élastiques
Il y a environ 60 ans, le physicien soviétique Ilya M. Lifshitz a prédit un adoucissement mécanique, aujourd’hui connu sous le nom de transition de Lifshitz. « L’effet observé maintenant est mille fois plus grand et peut être lié à une supraconductivité accrue. C’est surprenant, car moins de 1% des électrons existant dans le matériau forcent les constantes élastiques à diminuer de 20% », précise le Professeur Schmalian.
L’interaction des propriétés élastiques et électroniques est également au cœur du projet Transregio financé par la DFG, ELASTO-Q-MAT, dans lequel le MPI CPfS et le KIT sont les principaux partenaires du projet. Pour l’étude publiée dans Science, les chercheurs du KIT ont développé un modèle de l’effet qui est causé par quelques électrons porteurs de courant qui adoucissent le matériau. Les mesures correspondantes ont été effectuées au MPI CPfS à Dresde.
En synthèse
La théorie de Lifshitz n’est pas fausse, souligne le chercheur : « Mais notre étude offre une nouvelle perspective et ouvre la possibilité de manipuler de fortes fluctuations quantiques en laboratoire et d’optimiser les matériaux pour un certain effet physique. »
Cette découverte pourrait avoir des implications majeures pour l’avenir de la supraconductivité et de la distribution d’énergie, en permettant aux scientifiques de manipuler et d’optimiser les propriétés des matériaux supraconducteurs.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que le strontium ruthénate ?
Le strontium ruthénate (Sr2RuO4) est un matériau qui présente une supraconductivité, c’est-à-dire qu’il ne présente aucune résistance électrique en dessous d’une certaine température.
Qu’est-ce que la température de transition ?
La température de transition est la température en dessous de laquelle un matériau devient supraconducteur.
Comment la pression mécanique influence-t-elle la supraconductivité ?
La pression mécanique dans une certaine direction peut augmenter considérablement la température de transition du strontium ruthénate, modifiant ainsi le comportement d’excitation des électrons.
Qu’est-ce que la transition de Lifshitz ?
La transition de Lifshitz est un adoucissement mécanique prédit par le physicien soviétique Ilya M. Lifshitz il y a environ 60 ans. Cet effet est lié à une supraconductivité accrue.
Quelles sont les implications de ces découvertes ?
Ces découvertes ouvrent la possibilité de manipuler de fortes fluctuations quantiques en laboratoire et d’optimiser les matériaux pour un certain effet physique.
Principaux enseignements
| Enseignements |
|---|
| Le strontium ruthénate est un matériau supraconducteur. |
| La mécanique quantique peut aider à comprendre la supraconductivité du strontium ruthénate. |
| La pression mécanique peut augmenter la température de transition du strontium ruthénate. |
| La transition de Lifshitz est un adoucissement mécanique lié à une supraconductivité accrue. |
| Moins de 1% des électrons peuvent forcer les constantes élastiques à diminuer de 20%. |
| Les chercheurs peuvent manipuler de fortes fluctuations quantiques pour optimiser les matériaux. |
Références
Les informations de cet article proviennent de travaux de recherche publiés dans les revues Science et Nature, ainsi que des travaux menés par l’Institut de physique de la matière condensée théorique (TKM) du KIT, l’Institut des matériaux et technologies quantiques (IQMT) du KIT, le MPI CPfS et le projet ELASTO-Q-MAT financé par la DFG.
H. M. L. Noad, K. Ishida, Y.-S. Li, E. Gati, V. Stangier, N. Kikugawa, D. A. Sokolov, M. Nicklas, B. Kim, I. I. Mazin, M. Garst, J. Schmalian, A. P. Mackenzie, and C. W. Hicks: Giant lattice softening at a Lifshitz transition in Sr2RuO4. Science, 2023. DOI: 10.1126/science.adf3348
