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Superconductivité : une énigme résolue avec des cristaux liquides ?

Un groupe de physiciens canadiens vient de consolider une découverte faite depuis plusieurs années, celle d’une connexion entre la physique des cristaux liquides et celle de certains supraconducteurs exotiques (les cuprates). Cette connexion pourrait nous aider à révolutionner la technologie en permettant la création de supraconducteurs à température ambiante.


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Un groupe de chercheurs de l'université de Waterloo (Canada) vient de publier dans Science un article qui aurait sans aucun doute retenu l’attention du physicien français Pierre-Gilles de Gennes s’il était encore parmi nous. Le parrain de Futura-Sciences décédé en 2007 s’était notamment fait un nom par ses travaux sur les supraconducteurs et les cristaux liquides. Cela fait un certain nombre d’années que les physiciens du solide ont constaté qu’il existait une connexion entre les deux phénomènes lorsque l’on tente de comprendre la physique de certains supraconducteurs exotiques, les fameux cuprates.

Ces matériaux deviennent supraconducteurs en dessous d’une température plus élevée que les supraconducteurs conventionnels. Une particularité qui a laissé espérer – après leur découverte au milieu des années 1980 – que l’on pouvait peut-être obtenir des supraconducteurs à température ambiante. Plusieurs technologies en seraient bouleversées (fusion contrôlée, ordinateur quantique, propulsion spatiale, etc.) et surtout, cela permettrait de faire des économies d’énergie avec le transport d’électricité qui se ferait sans perte.

Malheureusement, les mécanismes derrière la supraconductivité des cuprates défient la théorie BCS. On sait qu’il se forme bien des paires de Cooper dans ces matériaux à hautes températures critiques mais les raisons en sont inconnues. Il semble que le magnétisme joue un rôle. Les chercheurs s’orientent aussi sur des configurations particulières de densités de charges électroniques dans le réseau cristallin des cuprates.


Une introduction à la cristallographie aux rayons X. © The Royal Institution, YouTube

Des supraconducteurs cristallins passés aux rayons X

À la base, ces oxydes de cuivre contenant aussi de l’yttrium et du baryum sont constitués de couches cristallines formées de carrés aux sommets desquels se trouvent les atomes de cuivre séparés par des atomes d’oxygène. On parle alors d’un empilement de plans CuO2, qui sont dopés avec des atomes supplémentaires qui sont généralement du strontium ou du lanthane. On étudie donc ces matériaux depuis des années avec les méthodes de la cristallographie, c'est-à-dire par diffusion de faisceaux de neutrons ou de rayons X. Du point de vue théorique, la physique quantique et la mécanique statistique des transitions de phase, faisant grand usage de la notion de symétrie et donc de la théorie des groupes, sont mobilisés.

Cela a permis aux physiciens depuis quelques années de mettre en évidence le phénomène de transition électronique nématique dans certains cuprates. Ce nom étrange vient d’une connexion surprenante avec la physique des cristaux liquides. Rappelons que leur étude a commencé entre 1850 et 1880, avec l’observation de substances d’origine biologique qui présentaient plusieurs points de fusion. Un peu plus tard, on a découvert qu'il s'agissait d’un état de la matière où de longues molécules s’ordonnent en combinant des propriétés d'un liquide conventionnel et celles d'un solide cristallisé.

Des orbitales qui s'orientent comme dans une phase nématique

Dans la phase nématique, bien que ces molécules soient presque orientées de façon aléatoire comme dans les liquides classiques, elles sont préférentiellement orientées dans une même direction. Il est possible d’utiliser un champ électrique pour contrôler cette direction, de sorte que les molécules peuvent être utilisées comme des interrupteurs, laissant passer ou non de la lumière.

Dans le cas des cuprates, les orbitales électroniques, c'est-à-dire en l’occurrence des régions allongées où se rencontrent le plus souvent les électrons connectant les atomes de cuivre et d’oxygène, s’orientent elles aussi de façon particulière. On a pu montrer que ces orbitales pouvaient se comporter comme les molécules des cristaux liquides dans une phase nématique ; les physiciens soupçonnent que cela puisse jouer un rôle dans la formation des paires de Cooper, avec des électrons, qui rendent les matériaux supraconducteurs.

Les chercheurs canadiens n’ont donc pas démontré pour la première fois que des transitions électroniques nématiques existaient dans certains cuprates mais ils ont utilisé une nouvelle technique de diffusion des rayons X, avec une ligne de lumière disponible au Centre canadien de rayonnement synchrotron situé sur le campus de l’université de la Saskatchewan, à Saskatoon, pour poursuivre dans une nouvelle direction cette piste et résoudre l’énigme des cuprates.

Cela leur a permis de montrer pour la première fois de façon directe que le phénomène de transition électronique nématique devait être présent dans la majorité des cuprates.

Un aimant flotte au-dessus d'un cuprate en phase supraconductrice baignant dans de l'azote liquide. © Wikimedia Commons, Mai-Linh Doan, CC by-sa 3.0 Un aimant flotte au-dessus d'un cuprate en phase supraconductrice baignant dans de l'azote liquide. © Wikimedia Commons, Mai-Linh Doan, CC by-sa 3.0

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supraconducteur cuprate Meissner Wikimedia Commons Mai-Linh Doan


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