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L'énigme de la supraconductivité exotique résolue grâce à un métal ?

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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.

Cet aimant flottant est situé au-dessus d'un cuprate en phase supraconductrice baignant dans de l'azote liquide. Les cuprates sont des supraconducteurs à haute température critique. À l’heure actuelle, ils présentent une supraconductivité aux plus hautes températures, environ 140 K. Ce sont les seuls matériaux qui sont supraconducteurs aux températures de l’azote liquide. Ils font partie des supraconducteurs non conventionnels car on ne peut expliquer leur existence à l'aide de la théorie standard de la supraconductivité. © Mai-Linh Doan, Wikimedia Commons, GNU 1.2

La découverte publiée récemment dans Science Advances par une équipe de physiciens menée par Kosmas Prassides de l'université de Tohoku, au Japon, aurait certainement retenu l'attention de Lev Landau. Le célèbre prix Nobel de physique russe était en effet un des grands maîtres des applications de la physique quantique à l'élucidation des propriétés de la matière condensée. Il s'est notamment rendu célèbre par ses travaux sur la superfluidité et la supraconductivité. Or justement, depuis deux décennies environ, les physiciens étudient une curieuse classe de matériaux supraconducteurs à base de fullerène. Il s'agit plus précisément de la mythique molécule 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 critique chez les supraconducteurs non conventionnels que sont par exemple les cuprates. 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'atomes alcalins associés à des molécules de C60 et soumis à des pressions variables ou dopés avec d'autres atomes, il est possible de faire varier l'état des électrons 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 cristallin. En d'autres termes, ces cristaux à base de C60 sont des laboratoires commodes pour la supraconductivité, qu'elle soit conventionnelle ou exotique, 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 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 centrées à base de Cs3C60 associant donc césium 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 métal 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 rubidium. 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 chimie quantique, l'effet Jahn-Teller. Ce dernier décrit la déformation spontanée de la géométrie de certaines molécules qui adoptent alors un état d'énergie plus stable. En l'occurrence, la molécule de C60 passe de la forme d'un ballon 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 cuivre 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'hélium ou de l'azote liquide.

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