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Les caprices des supraconducteurs à haute température bientôt élucidés ?

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Supraconducteurs à hautes températures, les cuprates passionnent les scientifiques et intéressent beaucoup les industriels. Mais la température critique, à laquelle apparaît la supraconductivité, varie énormément d'un cuprate à l'autre, et d'une manière étrange. Un groupe de physiciens de l'Université de Cornell pense être sur la bonne voie pour trouver l'explication indispensable à leur future exploitation.

En orange les atomes de cuivre et en bleu ceux d'oxygène. Crédit : PNAS

La découverte des cuprates en 1986 par Bednorz et Müller a été un coup de tonnerre dans le monde de la physique du solide. Alors que les supraconducteurs classiques voient leur résistance s'annuler en dessous de quelques kelvins, ce type de matériaux devenait complètement conducteur en dessous de quelques dizaines de kelvins seulement. Les raisons de ce comportement sont aujourd'hui encore mal comprises, même si certains progrès ont été effectués. En tout cas, il semble de plus en plus clair que la théorie BCS ne détient pas la clé de l'énigme.

James Slezak et ses collègues de l'Université de Cornell se sont lancés comme bien d'autres avant eux dans la quête de quelques éléments de réponses à ce problème fascinant et lourd d'implications pour l'industrie. La perspective de conduire un jour sans perte de l'électricité avec des câbles supraconducteurs fonctionnant à température ambiante ne serait que l'une des applications les plus importantes d'une compréhension du mécanisme à l'œuvre dans les cuprates.

Les chercheurs de Cornell ont observé attentivement à l'aide d'un microscope à effet tunnel la répartition des atomes dans le réseau cristallin des cuprates et ils l'ont comparée avec les variations de la densité de paires de Cooper, un appariement de deux électrons, se produisant lorsqu'un matériau devient supraconducteur.

Une question de structure cristallographique

Il faut savoir que la structure des cuprates est constituée de couches d'oxydes de cuivre intercalées avec d'autres contenant des atomes différents, comme on peut le constater sur la figure 1, représentant un exemple de cuprate. On remarque que les atomes de cuivre et d'oxygène forment une pyramide avec un atome d'oxygène au sommet. Selon certains théoriciens, c'est la présence des autres atomes servant de « dopant » qui, en influençant la façon dont les électrons interagissent avec les atomes, seraient responsables de l'apparition d'une phase supraconductrice à haute température.

L'emplacement de l'atome d'oxygène pourrait varier, de manière plus ou moins aléatoire. Dans certaines pyramides, sa position pourrait être légèrement décalée ou même basculée, ce qui se traduirait justement par des variations de la température critique.

Or, la comparaison des positions de l'atome d'oxygène dans un cuprates avec les variations de densité de paires de Cooper dont on a parlé précédemment montre en effet que l'appariement des électrons est plus important lorsque la distance entre les atomes d'oxygène et de cuivre a diminué. Les chercheurs pensent donc être sur la bonne route pour comprendre pourquoi une structure cristallographique différente pour les cuprates influe sur la température de changement de phase.