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L'énigme des supraconducteurs R2CuO4 est résolue !

ActualitéClassé sous :physique , supraconducteur , terres rares

Des chercheurs du laboratoire Argonne aux USA ont résolu une énigme datant de près de 20 ans. A cette époque, le monde de la physique du solide était en effervescence à cause de la découverte des supraconducteurs à haute température critique. Problèmes : alors que la supraconductivité des autres cuprates résultait en majorité d'un dopage en trous positifs dans leur structure, celle des R2CuO4 résultait d'un dopage en électrons d'une part et ces cuprates nécessitaient d'être chauffés au cours de leur synthèse d'autre part. Pourquoi ?

Structure d'un supraconducteur Pr1-xLaCexCuO4. Un feuillet d'oxydes de terres rares alterne avec un feuillet de CuO2 (Crédit : Laboratoire Argonne).

Rappelons que la supraconductivité est la propriété d'un matériau de conduire de l'électricité sans résistance en dessous d'une température critique. Jusque vers 1986, cela nécessitait de refroidir un matériau adéquat presque au zéro absolu.

Or, si le même phénomène pouvait se produire à température ambiante, cela révolutionnerait notre technologie en permettant de stocker et de conduire de l'électricité sans perte à volonté. On en est loin, c'est pourquoi toute compréhension du mécanisme de supraconductivité à haute température, comme dans les LBCO et autres cuprates, est potentiellement important. Pour le moment, le record de température est d'environ 130 °K, c'est encore loin des 273,12 °K de notre 0 °C !

Personne ne comprenait pourquoi l'étape de chauffage était nécessaire pour les cuprates R2CuO4 (où R indique la présence des éléments Nd, Pr, La, Ce ). Celle-ci ne semblait altérer ni la formule chimique ni la structure cristalline. Passait encore le fait qu'un dopage en électrons de la structure soit important car, ce qui compte, ce n'est pas le signe de la charge mais le fait qu'il y ait des charges libres. Elles sont obtenues en modifiant légèrement la structure de l'isolant initial utilisé pour synthétiser un supraconducteur. Mais pourquoi diable fallait-il aussi chauffer ?

Une équipe composée pour l'essentiel de membres du laboratoire Argonne et des Universités du Tennessee et Brigham Young s'est alors attelée à la tâche en utilisant les puissantes techniques de diffractions par rayons X et neutrons. Le résultat a été la publication suivante dans Nature Materials, où l'explication du phénomène est donnée.

Le commentaire de Stephan Rosenkranz, un des chercheurs impliqué est le suivant « Notre découverte ouvre la porte à la compréhension du mécanisme derrière le phénomène de supraconductivité pour les matériaux dopés avec des électrons » et il ajoute « Nous n'avions pas réalisé que les interconnexions entre ce phénomène et la structure des cuprates étaient si subtiles. Mais maintenant, nous comprenons ce qui détermine leur supraconductivité et sur quels paramètres jouer ».

Un groupe a donc utilisé la diffraction par rayons X pour étudier très précisément la répartition des atomes de cuivre, alors qu'un autre groupe dans l'équipe s'est concentré sur les atomes d'oxygène avec la diffraction des neutrons. Conclusion : Lors du chauffage, il apparaît de subtiles et fines corrélations dans des changements de places de ces atomes dans la structure cristalline du cuprate. C'est la structure cristalline obtenue qui se trouve être parfaite pour produire un état supraconducteur. De plus, le phénomène est réversible. En modifiant à nouveau les « défauts » obtenus par le chauffage, on peut ramener le matériau dans une structure impropre à la supraconductivité. C'était ces subtiles modifications de la position des atomes qui avaient jusqu'ici échappé à toutes détections !

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