Des cristaux formés à partir de la molécule C60, célèbre pour sa forme de ballon de football et à base de fullerène, peuvent se comporter comme des supraconducteurs dans certaines conditions. En voulant mieux comprendre ce phénomène, une équipe internationale de chercheurs a découvert une nouvelle phase métallique nommée métal de Jahn-Teller. Elle pourrait aider à élucider l'énigme de l’origine de la supraconductivité exotique qui concerne les superconducteurs à haute température critique comme les cuprates.
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La découverte publiée récemment dans Science Advances par une équipe de physiciensphysiciens menée par Kosmas Prassides de l'université de Tohoku, au Japon, aurait certainement retenu l'attention de Lev Landau. Le célèbre prix Nobel de physiquephysique russe était en effet un des grands maîtres des applicationsapplications de la physique quantique à l'élucidation des propriétés de la matièrematière condensée. Il s'est notamment rendu célèbre par ses travaux sur la superfluiditésuperfluidité et la supraconductivitésupraconductivité. Or justement, depuis deux décennies environ, les physiciens étudient une curieuse classe de matériaux supraconducteurssupraconducteurs à base de fullerènefullerène. Il s'agit plus précisément de la mythique moléculemolécule de C60, plus connue sous l'appellation buckminsterfullerène. Ce nom lui a été donné en hommage à l'architecte américain, pionnier des dômes géodésiques : Richard Buckminster Fuller.

Cette classe de supraconducteurs sert notamment à explorer la nature des mécanismes à l'origine de la supraconductivité. Objectif : mieux comprendre ce phénomène qui se manifeste notamment à haute température critiquetempérature critique chez les supraconducteurs non conventionnels que sont par exemple les cupratescuprates. Les paires de Cooper, qui peuvent se former dans ces matériaux ne semblent pas obéir à la théorie BCS. En utilisant des cristaux composés d'atomesatomes alcalins associés à des molécules de C60 et soumis à des pressionspressions variables ou dopés avec d'autres atomes, il est possible de faire varier l'état des électronsélectrons dans ces molécules et d'explorer la façon dont la supraconductivité se manifeste en liaison avec les changements de distances entre les composants du réseau cristallinréseau cristallin. En d'autres termes, ces cristaux à base de C60 sont des laboratoires commodes pour la supraconductivité, qu'elle soit conventionnelle ou exotiqueexotique, et permettent donc de faire varier relativement facilement les conditions des expériences.

Une vue d'artiste d'un cristal à réseaux cubiques formé de molécules de C<sub>60</sub> en forme de ballon de football. Des atomes de césium sont représentés en bleu. © Prassides Kosmas

Une vue d'artiste d'un cristal à réseaux cubiques formé de molécules de C60 en forme de ballon de football. Des atomes de césium sont représentés en bleu. © Prassides Kosmas

Un effet de chimie quantique moléculaire dans un métal

Dans le cas du cristal étudié par les chercheurs, il s'agit d'un réseau de symétrie cubique à faces centréescubique à faces centrées à base de Cs3C60 associant donc césiumcésium et buckminsterfullerène. Remarquablement, dans les conditions ordinaires, ce cristal est un isolant. Mais, en le comprimant, ce qui fait varier les distances entre les molécules de Cs3C60 occupant les sites du réseau cubique, il devient un métalmétal conducteur. Il s'agit donc d'un exemple de la fameuse transition de Mott. On peut, comme les physiciens l'ont précisément fait pour leurs expériences, remplacer certains atomes de césium par des atomes de rubidiumrubidium. Là aussi, les distances intermoléculaires changent, ce qui permet l'apparition d'une phase supraconductrice mais sans exercer de haute pression.

L'étude de ce cristal a démontré que l'on était en présence d'un nouveau type de métal où se produisait un effet bien connu en chimiechimie quantique, l'effet Jahn-Teller. Ce dernier décrit la déformation spontanée de la géométrie de certaines molécules qui adoptent alors un état d'énergieénergie plus stable. En l'occurrence, la molécule de C60 passe de la forme d'un ballonballon de football à celle d'un ballon de rugby. Ce métal de Jahn-Teller, comme l'ont baptisé les chercheurs, n'existe en fait que temporairement, comme intermédiaire de la transition de Mott. Il semble pourtant bel et bien que l'état supraconducteur manifesté par ce métal à basse température ne soit pas décrit par la théorie BCS. C'est en revanche le cas lorsque le cristal est devenu un métal ordinaire à la fin de la transition de Mott.

Certains ions cuivrecuivre des cuprates (des types de supraconducteurs non conventionnels) se retrouvent dans des molécules manifestant l'effet Jahn-Teller. Un métal de Jahn-Teller est donc un laboratoire pour tenter de comprendre ce qui se passe dans les cuprates. Peut-être contient-il des clés pour réaliser un jour des matériaux supraconducteurs à température ambiante. On pourrait alors facilement réaliser notamment des Magsurfs sans avoir besoin de les refroidir avec de l'héliumhélium ou de l'azote liquideliquide.