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Sonder les mystères de la supraconductivité

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mai 29 / 18

Probing the mysteries of superconductivity

Si vous touchez à la poignée d’une poêle chaude, vous vous rappellerez (en grimaçant) que le métal est un excellent conducteur de chaleur et d’électricité. Si vous touchez au revêtement de caoutchouc du câble électrique d’une lampe, vous trouverez son opposé inoffensif, un isolateur.  

Mais qu’arrive-t-il quand ces électrons circulent sans heurt à travers un solide, sans aucune résistance? Il s’agit alors de supraconductivité : un état où les électrons s’apparient comme des partenaires de valse. Jusqu’à présent, la technologie des supraconducteurs a donné lieu aux appareils d’IRM et aux trains à sustentation magnétique qui circulent sur des voies magnétisées.

Et si nous réussissons à bien exploiter la supraconductivité, les possibilités seraient encore plus grandes, particulièrement dans le domaine de l’économie d’énergie. Le processus peut contenir une grande quantité d’énergie électrique dans des câbles très fins, avec une dissipation limitée pendant la circulation du courant. Et comme on prédit que la consommation énergétique mondiale devrait presque doubler au cours des quatre prochaines décennies, les supraconducteurs seraient une véritable bénédiction pour l’environnement.

Conséquemment, pourquoi n’utilise-t-on pas plus souvent cette incroyable technologie? Jusqu’à relativement récemment, même si nous avions fait la découverte de plusieurs matériaux qui manifestent la supraconductivité, il fallait les refroidir à des températures extrêmement basses – un processus coûteux et peu pratique. Voilà pourquoi des physiciens quantiques ont travaillé sans relâche pour découvrir de nouveaux matériaux qui non seulement manifesteront la supraconductivité, mais le feront à des températures de plus en plus élevées. De la sorte, la technologie pourrait être plus viable et plus largement utilisée.

À l’Université de la Colombie-Britannique, Andrea Damascelli, Boursier principal du CIFAR et directeur scientifique du Stewart Blusson Quantum Matter Institute, a patiemment étudié la supraconductivité dans une variété croissante de matériaux. Il y a trois ans, son groupe de recherche a dopé avec du lithium une couche unique de graphène et a réussi à entraîner l’appariement des électrons du matériau en paires.

« Nous mettons au point des matériaux qui n’existent pas dans la nature et nous le faisons de façon très délicate et maîtrisée en déposant sous ultravide quelques atomes sur une surface », dit-il.   

Afin de trouver les meilleurs matériaux, Damascelli cherche aussi à comprendre comment la supraconductivité se manifeste. Cette année, son laboratoire a réalisé une percée importante en la matière.

En utilisant une technique laser, appelée spectroscopie de photoémission à résolution temporelle, et en rompant l’équilibre d’un condensat supraconducteur avec des impulsions ultracourtes, le stagiaire postdoctoral Fabio Boschini a pris une série d’instantanés ultrarapides pour surveiller la réapparition de la supraconductivité à l’aide d’une impulsion sonde sur des cuprates (supraconducteurs archétypaux à base de cuivre). Et le terme « ultrarapide » est bien faible ici, car chaque instantané n’a duré que quelques femtosecondes ou quadrillionièmes de secondes.

Pour que la supraconductivité se produise, le simple appariement des électrons ne suffit pas. Il faut que ces paires, appelées paires de Cooper, soient organisées en une seule phase quantique macroscopique, un état appelé phase de cohérence. Et pour discerner lequel des phénomènes microscopiques déclenche l’action, il faut procéder à la désintrication de ces facteurs.

« En ayant recours à la spectroscopie électronique ultrarapide dans nos expériences avec impulsion sonde, nous avons pu observer que le début de la cohérence de phase est le mécanisme principal », dit Boschini.

« C’est un grand défi », ajoute Damascelli. « Fabio et notre équipe ont dû produire des impulsions laser de fréquence spécifique dans l’ultraviolet extrême et manipuler leur structure temporelle afin d’atteindre un degré élevé d’exactitude pour être en mesure de surveiller ces échelles temporelles ultrarapides. »   

Publiés récemment dans la revue Nature Materials, ces travaux récents du nouveau Moore Centre for Ultrafast Quantum Matter, de l’Université de la Colombie-Britannique, représentent encore une autre étape dans la quête d’une meilleure compréhension de la manifestation de la supraconductivité, et de la découverte de nouveaux matériaux et de techniques qui permettront sa manifestation. Jusqu’à présent, ces recherches ont mené à la publication de plus de 200 000 articles et sont à l’origine de six prix Nobel.

Cette découverte est le fruit d’une collaboration très étroite (dans ce cas-ci, entre le laboratoire de Damascelli et ceux de ses collègues : David Jones, à l’Université de la Colombie-Britannique, et Claudio Gianetti, à Brescia, en Italie).

« Nous ne faisons que commencer notre exploration du comportement dynamique et exotique des matériaux quantiques », dit Damascelli. « Notre objectif ultime est de comprendre et de maîtriser les propriétés fascinantes des supraconducteurs à température élevée et d’autres matériaux quantiques. »