Des chercheurs observent des paires d’électrons « verrouillées » dans un cuprate supraconducteur

Depuis leur découverte il y a un siècle, les supraconducteurs et leurs mystérieuses propriétés atomiques émerveillent les chercheurs. Ces matériaux spéciaux permettent à l’électricité de circuler à travers eux sans perte d’énergie. Ils permettent même aux trains de léviter.

Mais les supraconducteurs ne fonctionnent généralement qu’à des températures extrêmement basses. Lorsque ces matériaux sont chauffés, ils deviennent des conducteurs ordinaires, qui permettent à l’électricité de circuler mais avec une certaine perte d’énergie ; ou des isolants, qui ne conduisent pas du tout l’électricité.

Les chercheurs ont travaillé dur pour trouver des matériaux supraconducteurs capables d’accomplir leur mission à des températures plus élevées, peut-être même un jour à température ambiante. La découverte ou la fabrication d’un tel matériau pourrait révolutionner la technologie moderne, des ordinateurs et des téléphones portables au réseau électrique et aux transports. De plus, l’état quantique unique des supraconducteurs en fait également d’excellents éléments de base pour les ordinateurs quantiques.

Des chercheurs ont observé qu’une caractéristique nécessaire aux supraconducteurs, appelée appariement d’électrons, se produit à des températures beaucoup plus élevées qu’on ne le pensait auparavant, et dans un matériau où on s’y attend le moins : un isolant antiferromagnétique. Bien que le matériau n’ait pas une résistance nulle, cette découverte suggère que les chercheurs pourraient trouver des moyens de fabriquer des matériaux similaires pour des supraconducteurs fonctionnant à des températures plus élevées.

L’équipe de recherche du SLAC National Accelerator Laboratory, de l’Université de Stanford et d’autres institutions a publié ses résultats dans Science.

« Les paires d’électrons nous indiquent qu’elles sont prêtes à devenir supraconductrices, mais quelque chose les en empêche », explique Ke-Jun Xu, étudiant diplômé en physique appliquée à Stanford et co-auteur de l’article. « Si nous parvenons à trouver une nouvelle méthode pour synchroniser les paires, nous pourrions l’appliquer à la construction de supraconducteurs à température plus élevée. »

Électrons désynchronisés

Au cours des 100 dernières années, les chercheurs ont beaucoup appris sur le fonctionnement exact des supraconducteurs. Nous savons, par exemple, que pour qu’un matériau soit supraconducteur, les électrons doivent s’apparier et ces paires doivent être cohérentes, c’est-à-dire que leurs mouvements doivent être synchronisés. Si les électrons sont appariés mais incohérents, le matériau peut finir par être un isolant.

Dans les supraconducteurs, les électrons se comportent comme deux personnes réticentes dans une soirée dansante. Au début, aucune des deux personnes ne veut danser avec l’autre. Mais ensuite, le DJ passe une chanson que les deux personnes aiment, ce qui leur permet de se détendre. Ils remarquent que l’autre apprécie la chanson et sont attirés de loin – ils se sont associés mais ne sont pas encore devenus cohérents.

Le DJ joue alors une nouvelle chanson, une chanson que les deux personnes adorent. Soudain, les deux personnes se mettent en couple et commencent à danser. Bientôt, tous les participants à la soirée dansante suivent leur exemple : ils se rassemblent tous et commencent à danser sur le même nouvel air. À ce stade, la fête devient cohérente ; elle est dans un état supraconducteur.

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont observé des électrons à un stade intermédiaire, où les électrons avaient les yeux fixés sur eux, mais ne se levaient pas pour danser.

Les cuprates agissent bizarrement

Peu de temps après la découverte des supraconducteurs, les chercheurs ont découvert que ce sont les vibrations du matériau sous-jacent qui permettaient aux électrons de s’associer et de danser. Ce type d’appariement d’électrons se produit dans une classe de matériaux connus sous le nom de supraconducteurs conventionnels, qui sont bien connus, a déclaré Zhi-Xun Shen, professeur à Stanford et chercheur à l’Institut de Stanford pour les sciences des matériaux et de l’énergie (SIMES) au SLAC, qui a supervisé la recherche. Les supraconducteurs conventionnels fonctionnent à des températures généralement proches du zéro absolu, inférieures à 25 Kelvin, à pression ambiante.

Les supraconducteurs non conventionnels, comme le matériau en oxyde de cuivre, ou cuprate, utilisé dans l’étude actuelle, fonctionnent à des températures nettement plus élevées, parfois jusqu’à 130 Kelvin. Dans les cuprates, on pense généralement que quelque chose au-delà des vibrations du réseau contribue à associer les électrons. Bien que les chercheurs ne sachent pas exactement ce qui se cache derrière ce phénomène, le principal candidat est la fluctuation des spins des électrons, qui amène les électrons à s’associer et à danser avec un moment angulaire plus élevé.

Ce phénomène est connu sous le nom de canal d’onde. Les premiers signes d’un tel état nouveau ont été observés lors d’une expérience au SSRL il y a environ trente ans. Comprendre ce qui provoque l’appariement des électrons dans les cuprates pourrait aider à concevoir des supraconducteurs fonctionnant à des températures plus élevées.

Dans ce projet, les scientifiques ont choisi une famille de cuprates qui n’avait pas été étudiée en profondeur car sa température de supraconduction maximale était relativement basse (25 Kelvin) par rapport aux autres cuprates. Pire encore, la plupart des membres de cette famille sont de bons isolants.

Pour observer les détails atomiques du cuprate, les chercheurs ont projeté de la lumière ultraviolette sur des échantillons de matériau, ce qui a pour effet d’éjecter des électrons du matériau. Lorsque les électrons sont liés, ils sont légèrement plus résistants à l’éjection, ce qui entraîne un « écart énergétique ». Cet écart énergétique persiste jusqu’à 150 Kelvin, ce qui suggère que les électrons sont appariés à des températures beaucoup plus élevées que l’état de résistance zéro à environ 25 Kelvin. Le résultat le plus inhabituel de cette étude est que l’appariement est le plus fort dans les échantillons les plus isolants.

Le cuprate étudié n’est peut-être pas le matériau qui permet d’atteindre la supraconductivité à température ambiante, autour de 300 Kelvin, a déclaré Shen. « Mais peut-être que dans une autre famille de matériaux supraconducteurs, nous pouvons utiliser ces connaissances pour obtenir des indices permettant de nous rapprocher de la température ambiante », a-t-il déclaré.

« Nos résultats ouvrent une nouvelle voie potentiellement riche », a déclaré Shen. « Nous prévoyons d’étudier cet écart de couplage à l’avenir pour aider à concevoir des supraconducteurs à l’aide de nouvelles méthodes. D’une part, nous prévoyons d’utiliser des approches expérimentales similaires au SSRL pour mieux comprendre cet état de couplage incohérent. D’autre part, nous voulons trouver des moyens de manipuler ces matériaux pour peut-être forcer ces paires incohérentes à se synchroniser. »