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Les fractales, une clé de la supraconductivité à haute température ?

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Dans la quête d'explication pour l'énigmatique supraconductivité à haute température critique, un élément inattendu vient d'être découvert grâce aux rayons X de l'ESRF à Grenoble. Une structure fractale joue un rôle dans la température de transition de phase de certains cuprates supraconducteurs.

L'ensemble de Mandelbrot exhibe une structure qui se répète à toutes les échelles. C'est une propriété caractéristique des fractales. Crédit : Princeton University

Depuis la découverte en 1986 par Georg Bednorz et Alex Müller, alors chercheurs à IBM, qu'il existe des matériaux devenant supraconducteurs à haute température, c'est la course pour créer des matériaux qui le seraient à température ambiante. Mais sans succès... Il est probable que pour vraiment avancer, il faudrait comprendre pourquoi les cuprates utilisés par les deux chercheurs, sortes de céramiques composées de couches d'oxyde de cuivre en sandwich entre d'autres éléments, peuvent être supraconducteurs à des dizaines de kelvins (K).

Voilà pourtant longtemps que l'on sait expliquer la supraconductivité plus classique de matériaux comme le mercure et le plomb. Le phénomène fait intervenir la formation de paires de Cooper, formées de deux électrons, du fait des interactions de ces particules avec les phonons du réseau cristallin. La théorie qui en rend compte est bien sûr quantique et est appelée BCS pour Bardeen, Cooper et Schrieffer, du nom de ses découvreurs en 1957.

Rien de similaire n'existe pour les supraconducteurs à haute température critique. On sait seulement... qu'ils n'entrent pas dans le cas de la théorie BCS. Il existe bien quelques espoirs depuis qu'une connexion a été établie avec les équations et les mathématiques de la théorie des cordes, mais on n'en est encore qu'à des balbutiements...

Une découverte intéressante mais inexpliquée

Bien qu'une température de 135 K soit la plus élevée obtenue jusqu'ici, elle reste encore déséspérément trop basse. C'est pourquoi les expériences pour tenter de percer les secrets des cuprates sont ardemment poursuivies. Un article récemment publié dans Nature établit d'ailleurs le lien avec une structure omniprésente dans la nature et qui fascinait le grand Arthur Clarke : les fractales.

Antonio Bianconi, de l'Université de Rome La Sapienza, a en effet exposé, avec ses collègues, un échantillon d'oxyde mixte de cuivre et de lanthane supraconducteur aux rayons X générés à l'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF).

Des zones d'ordres et de désordres au niveau de la distribution des atomes d'oxygène ont alors été découvertes, avec des motifs se répétant à plusieurs échelles, de façon similaire à ceux des fractales, comme l'ensemble de Mandelbrot. Ces structures se manifestaient par une certaine loi de puissance décrivant l'intensité de la lumière diffractée. Or, plus cette loi de puissance se rapprochait de celle que l'on attend d'une structure fractale pour un échantillon d'oxyde considéré, plus la température critique de celui-ci était élevée.

Toutefois, les chercheurs ne comprennent toujours pas pourquoi ce lien semble exister entre l'importance de la structure fractale observée et la valeur de la température à laquelle les oxydes mixtes de cuivre et de lanthane deviennent supraconducteurs...