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Découverte de nouvelles propriétés de la supraconductivité

by CIFAR mai 6 / 16

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Des boursiers et des collaborateurs de l’ICRA ont dirigé une équipe internationale qui a jeté de la lumière sur le mystère que représente la manifestation de la supraconductivité, état qui permet la conduction d’électricité pratiquement sans résistance, dans certains matériaux.

Les physiciens de par le monde tentent de comprendre les secrets de la supraconductivité en raison des possibilités technologiques emballantes qui pourraient voir le jour si celle-ci pouvait se manifester plus près de la température ambiante. Dans la supraconductivité conventionnelle, les matériaux refroidis près du zéro absolu (-273,15 Celsius) affichent des propriétés fantastiques où les électrons en appariement peuvent conduire l’électricité pratiquement sans résistance. Si la supraconductivité fonctionnait à des températures plus élevées, il pourrait s’ensuivre diverses technologies, comme des réseaux électriques haute efficacité, des superordinateurs et des véhicules à lévitation magnétique.

NOUVEAUX RÉSULTATS SUR LA SUPRACONDUCTIVITÉ PUBLIÉS DANS LA REVUE SCIENCE

Les nouveaux résultats issus d’une collaboration internationale, dirigée par les Boursiers de l’ICRA David Hawthorn et Michel Gingras (tous deux de l’Université de Waterloo), titulaire d’une Chaire de recherche du Canada, le doctorant Andrew Achkar, ainsi que le stagiaire postdoctoral Zhihao Hao, font état de données expérimentales directes à l’appui de la nématicité électronique – quand des nuages d’électrons s’organisent en un ordre aligné et directionnel – dans un type particulier de supraconducteur à température élevée. Les résultats, publiés dans la prestigieuse revue Science, pourraient mener à une théorie expliquant pourquoi la supraconductivité se manifeste à des températures plus élevées dans certains matériaux.

« Dans cette étude, nous avons observé certains alignements inattendus d’électrons – un résultat qu’on observerait probablement dans tous les supraconducteurs à température élevée et qui, avec le temps, pourrait se révéler un élément clé du problème », dit Hawthorn, professeur au département de physique et d’astronomie de l’Université de Waterloo.

Les résultats suggèrent que la nématicité électronique est une caractéristique universelle des supraconducteurs à température élevée à base de cuprates. Les cuprates sont des céramiques d’oxydes de cuivre composés de deux couches bidimensionnelles ou plans d’atomes de cuivre et d’oxygène séparés par d’autres atomes. Ils sont reconnus comme étant les meilleurs supraconducteurs à température élevée. Dans les années 1980, on a découvert des matériaux dans lesquels la supraconductivité se manifestait à des températures légèrement plus élevées (-135 Celsius, donc encore loin de la température ambiante). Mais il a été difficile de prédire, encore moins d’expliquer, comment la supraconductivité se manifeste dans ces supraconducteurs à température élevée.

« Ces dernières années, il est devenu clair que les électrons en jeu dans la supraconductivité peuvent former des motifs, des rayures ou des damiers et manifester différentes symétries – en privilégiant un alignement dans une orientation donnée », explique Hawthorn. « Ces motifs et ces symétries ont des conséquences importantes pour la supraconductivité – ils peuvent faire concurrence ou coexister avec la supraconductivité, ou peut-être même la favoriser. »

DES SCIENTIFIQUES ONT RECOURS À LA DIFFUSION DES RAYONS X MOUS DANS LA RECHERCHE SUR LES SUPRACONDUCTEURS

Des scientifiques ont utilisé une technique novatrice, appelée diffusion des rayons x mous, au Centre canadien de rayonnement synchrotron à Saskatoon pour sonder la diffusion des neutrons dans des couches spécifiques de la structure cristalline des cuprates. Plus précisément, ils ont examiné les plans individuels de cuprates (CuO2) où survient la nématicité électronique, par opposition aux distorsions cristallines qui se manifestent entre les plans de CuO2.

La nématicité électronique se manifeste quand les orbitales électroniques s’alignent pour former une série de bâtonnets. Le terme nématicité fait allusion au comportement des cristaux liquides qui s’alignent spontanément sous l’influence d’un champ magnétique dans les affichages à cristaux liquides. Dans ce cas-ci, les orbitales électroniques passent à l’état nématique quand la température chute en dessous d’un point critique.

On peut entraîner la supraconductivité dans les cuprates en ajoutant des éléments qui enlèveront des électrons dans le matériau, un processus appelé « dopage ».

On peut doper un matériau de façon optimale pour qu’il exhibe la supraconductivité à la température la plus élevée et la plus accessible, mais quand les physiciens étudient le fonctionnement de la supraconductivité, ils travaillent souvent avec des matériaux qui sont « sous-dopés », ce qui veut dire que le niveau de dopage est inférieur à celui qui optimise la température supraconductrice.

Les résultats de cette étude démontrent que la nématicité électronique se produit probablement dans tous les cuprates sous-dopés.

Les physiciens veulent aussi comprendre la relation entre la nématicité et un phénomène appelé les fluctuations de l’onde de densité de charge. Normalement, les électrons ont une belle distribution uniforme, mais à cause de l’ordonnancement de la charge, les électrons peuvent se regrouper, comme les ondes sur un étang. Cela déclenche une compétition où le matériau fluctue entre un état supraconducteur et non supraconducteur jusqu’à ce que la température baisse suffisamment pour que la supraconductivité l’emporte.

DES TRAVAUX FUTURS SE PENCHERONT SUR LA FAÇON D’AJUSTER LES ÉLECTRONS POUR PERMETTRE LA SUPRACONDUCTIVITÉ

Bien qu’aucune explication ne fasse l’unanimité quant à la manifestation de la nématicité électronique, ce phénomène pourrait au bout du compte constituer un autre paramètre à configurer pour réaliser la supraconductivité à température ambiante.

« Dans des travaux futurs, nous tenterons de comprendre comment ajuster la nématicité, peut-être à notre avantage, en modifiant la structure cristalline », dit Hawthorn. Gingras est titulaire de la Chaire de recherche du Canada en théorie de la matière condensée et en mécanique statistique, et a passé du temps à l’Institut Perimeter de physique théorique à titre de professeur invité au moment de la réalisation de ces travaux.

Parmi les autres collaborateurs canadiens, notons le Centre canadien de rayonnement synchrotron, ainsi que H. Zhang et Y.-J. Kim de l’Université de Toronto.

Cet article est reproduit avec l’autorisation de l’Université de Waterloo.