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Supraconductivité : un nouveau mystère dans des matériaux ferreux

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L'arséniure de fer étudié est de formule BaO.6KO.4Fe2As2. Il contient deux couches de tétraèdres de Fe2As2 (en bleu les atomes de fer et en jaune ceux d'arsenic) séparées par des plans contenant des atomes de barium et de potassium (en rouge). Les flèches bleues indiquent la direction de l'aimantation dans le matériau considéré. Crédit Nature

La physique des matériaux condensés est riche de phénomènes fascinants pour un théoricien mais redoutables à comprendre. L'un d'entre eux est celui de la supraconductivité dans les composés à base d'arséniure de fer. D'après un groupe de chercheurs, elle échapperait à toutes les explications conventionnelles...

Plusieurs prix Nobel ont été attribués pour des travaux concernant la physique du solide ou ce que Pierre-Gilles de Gennes appelait, en reprenant la dénomination proposée par Madeleine Veyssié, « la matière molle ». Lui-même avait débuté sa carrière dans le domaine des matériaux supraconducteurs dont il cherchait à percer les mécanismes à l'aide de la diffusion de neutrons.

C'est la même technique qui vient d'être utilisée aujourd'hui par un groupe de chercheurs du Laboratoire National Argonne aux Etats-Unis. Il s'agissait de vérifier si le phénomène de supraconductivité découvert récemment au sein de composés basés sur l'arséniure de fer pouvait être décrit par la théorie standard de la supraconductivité ou bien s'il fallait chercher du côté des tentatives d'explication du comportement des cuprates, les célèbres supraconducteurs à hautes températures critiques.

Dans le cadre de la théorie développée par Bardeen, Cooper et Schrieffer (théorie BCS) en 1957, la quantification des vibrations du réseau cristallin d'un solide donne lieu à l'analogue des photons, les quanta de lumière. Comme il s'agit d'ondes sonores se propageant dans un milieu matériel, on parle de phonons. Dans certains matériaux conducteurs, ces phonons provoquent, en dessous d'une certaine température critique, la formation de ce qu'on appelle des paires de Cooper, couples d'électrons de conduction.

Le phénomène est proprement quantique car normalement deux particules chargées de même signe se repoussent. Or, les électrons étant des fermions de spin demi entier, leur association en paires se comporte comme une particule de spin entier, un boson donc. Le courant peut alors s'écouler sans résistance dans un solide. Cette association nécessite cependant de dépenser une certaine énergie, que l'on appelle de son nom anglais gap, séparant l'état non supraconducteur de l'état supraconducteur.

La découverte de l'apparition d'un état supraconducteur dans l'arséniure de fer, qui plus est à une température assez élevée, a été une surprise et certains théoriciens ont commencé à affirmer que la théorie BCS ne pouvait pas rendre compte du phénomène. Pour le savoir, il fallait déterminer si le gap ne varie pas selon la direction du mouvement des électrons dans un supraconducteur, ce que prédit la théorie BCS, ou au contraire en dépend, comme dans le cas des cuprates.

L'équipe de chercheurs de Laboratoire National Argone. Derrière, Iliya Todorov, Mercouri Kanatzidis, Ray Osborn et devant Duck Young Chung, Stephan Rosenkranz. Crédit Argonne National Laboratory

Les techniques habituelles pour le savoir étaient inopérantes dans ce cas. Toutefois, toujours selon quelques théoriciens pour qui même les explications partielles de la supraconductivité des cuprates ne devaient pas fonctionner et soupçonnant de plus l'influence des propriétés magnétiques des arséniures de fer, on devait pouvoir utiliser la diffusion des neutrons.

Ray Osborn et ses collègues du Laboratoire National Argonne viennent en effet de découvrir, comme ils l'expliquent dans un article de Nature, que le gap d'énergie ne change pas de valeur selon la direction de l'écoulement du courant dans le supraconducteur, comme c'est le cas pour les cuprates. En fait, cela n'est pas tout à fait exact, seule la valeur absolue du gap ne change pas mais son signe si !

On ne peut donc effectivement faire intervenir ni la théorie BCS ni les embryons de théories proposées pour expliquer la supraconductivité à haute température critique. Pour des chercheurs comme Stephan Rosenkranz, l'apparition de paires de Cooper doit se faire probablement en raison de fluctuations dans la structure antiferromagnétique des arséniures utilisés plutôt qu'en liaison avec les vibrations des réseaux cristallins.