Les Superconducteurs : Une Révolution Potentielle dans la Technologie

Depuis leur découverte il y a un siècle, les superconducteurs et leurs propriétés atomiques fascinantes continuent d’émerveiller les scientifiques. Ces matériaux uniques permettent à l’électricité de circuler sans aucune perte d’énergie, et même de faire léviter des trains.

Les Défis des Superconducteurs Traditionnels

Cependant, les superconducteurs ne fonctionnent généralement qu’à des températures extrêmement basses. Lorsqu’ils sont chauffés, ces matériaux se comportent comme des conducteurs ordinaires, permettant à l’électricité de passer mais avec des pertes d’énergie, ou comme des isolants, qui ne conduisent pas du tout l’électricité.

Les chercheurs s’efforcent de découvrir des matériaux superconducteurs capables de fonctionner à des températures plus élevées, voire à température ambiante. La découverte ou la création d’un tel matériau pourrait transformer la technologie moderne, touchant des domaines allant des ordinateurs et des téléphones portables à l’infrastructure électrique et aux transports. De plus, l’état quantique unique des superconducteurs en fait d’excellents candidats pour la construction d’ordinateurs quantiques.

Une Découverte Prometteuse

Récemment, une équipe de recherche a constaté qu’une caractéristique essentielle des superconducteurs, connue sous le nom de couplage des électrons, se produit à des températures beaucoup plus élevées que ce qui était précédemment envisagé, et dans un matériau inattendu : un isolant antiferromagnétique. Bien que ce matériau ne présente pas une résistance nulle, cette découverte ouvre la voie à la possibilité de concevoir des matériaux similaires en tant que superconducteurs fonctionnant à des températures plus élevées. Les résultats de cette recherche ont été publiés le 15 août dans la revue Science.

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

Les Électrons Désynchronisés

Au cours du dernier siècle, les chercheurs ont acquis une compréhension approfondie du fonctionnement des superconducteurs. Il est établi qu’un matériau doit permettre aux électrons de se coupler, et que 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 se comporter comme un isolant.

Dans les superconducteurs, les électrons se comportent comme deux personnes timides à une fête dansante. Au début, aucune des deux ne souhaite danser. Puis, lorsque le DJ joue une chanson qu’ils apprécient tous les deux, ils commencent à se détendre et à se remarquer. Ils se sont appariés, mais n’ont pas encore commencé à danser. Ensuite, le DJ lance une nouvelle chanson qu’ils adorent tous les deux, et soudain, ils se mettent à danser ensemble. À ce moment-là, la fête devient cohérente, atteignant un état superconducteur.

Dans cette étude, les chercheurs ont observé les électrons à un stade intermédiaire, où ils avaient déjà échangé des regards, mais n’étaient pas encore prêts à se lever pour danser.

Comportement Étrange des Cuprates

Peu après la découverte des superconducteurs, il a été établi que les vibrations du matériau sous-jacent étaient responsables de l’appariement des électrons. Ce type d’appariement se produit dans une classe de matériaux appelés superconducteurs conventionnels, qui sont bien compris. Ces superconducteurs fonctionnent à des températures proches du zéro absolu, en dessous de 25 Kelvin, sous pression ambiante.

Les superconducteurs non conventionnels, comme le matériau à base de cuivre, ou cuprate, étudié ici, fonctionnent à des températures beaucoup plus élevées, parfois jusqu’à 130 Kelvin. Dans les cuprates, on pense qu’un phénomène au-delà des vibrations du réseau aide à l’appariement des électrons. Bien que les chercheurs ne soient pas encore certains de la cause exacte, le candidat principal semble être les spins électroniques fluctuants, qui provoquent l’appariement des électrons avec un moment angulaire plus élevé. Ce phénomène est connu sous le nom de canal d’onde, et des indications préliminaires de cet état novateur ont été observées lors d’une expérience il y a environ trois décennies. Comprendre ce qui motive l’appariement des électrons dans les cuprates pourrait aider à concevoir des superconducteurs 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 en raison de sa température superconductrice maximale relativement basse, de 25 Kelvin, par rapport à d’autres cuprates. De plus, la plupart des membres de cette famille sont de bons isolants. Pour examiner les détails atomiques du cuprate, les chercheurs ont exposé des échantillons de matériau à une lumière ultraviolette, ce qui a permis d’éjecter des électrons. Lorsque les électrons sont liés, ils sont légèrement plus résistants à l’éjection, ce qui crée un « écart d’énergie ». Cet écart d’énergie persiste jusqu’à 150 Kelvin, suggérant que les électrons sont appariés à des températures beaucoup plus élevées que l’état de résistance nulle à environ 25 Kelvin. La découverte la plus surprenante de cette étude est que l’appariement est le plus fort dans les échantillons les plus isolants.

Le cuprate étudié pourrait ne pas être le matériau capable d’atteindre la superconductivité à température ambiante, autour de 300 Kelvin, a déclaré Shen. « Mais peut-être qu’avec une autre famille de matériaux superconducteurs, nous pourrions utiliser ces connaissances pour nous rapprocher de la température ambiante », a-t-il ajouté.

« Nos résultats ouvrent une voie potentiellement riche pour l’avenir », a déclaré Shen. « Nous prévoyons d’étudier cet écart d’appariement à l’avenir pour aider à concevoir des superconducteurs en utilisant de nouvelles méthodes. D’une part, nous prévoyons d’utiliser des approches expérimentales similaires pour obtenir des informations supplémentaires sur cet état d’appariement incohérent. D’autre part, nous souhaitons trouver des moyens de manipuler ces matériaux pour peut-être synchroniser ces paires incohérentes. »

Ce projet a été partiellement soutenu par le Bureau de la science du DOE. SSRL est une installation utilisateur du Bureau de la science du DOE.