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Le magnétisme : une clé pour les supraconducteurs atypiques

ActualitéClassé sous :physique , supraconductivité , supraconducteur non conventionnel

Les supraconducteurs non conventionnels, parmi lesquels on trouve les supraconducteurs à hautes températures critiques, ne sont pas décrits par la fameuse théorie BCS pour la supraconductivité. De nouvelles études montrent qu'au moins pour certains d'entre eux, leur supraconductivité est due à des forces magnétiques entre électrons.

Lévitation d'un aimant sur un élément supraconducteur dans un nuage d'azote liquide (< 77 K) © François Jannin/CNRS Photothèque

En 1986, Bednorz et Müller ont découvert que certains composés pouvaient être supraconducteurs à des températures de l'ordre de 30 kelvins. Cette bombe dans le milieu de la physique du solide a depuis généré d'innombrables travaux pour tenter de comprendre pourquoi et comment les cuprates et autres matériaux pouvaient maintenir leur état supraconducteur à de hautes températures critiques. L'espoir était de parvenir, par la connaissance du mécanisme exact responsable de la formation de paires de Cooper, à la conception de matériaux capables de conduire le courant sans perte à température ambiante.

La création d'une nouvelle technologie permettant facilement de générer des champs magnétiques puissants apporterait non seulement des économies de l'ordre de plusieurs milliards, mais produirait également sans aucun doute un impact sur notre monde. On pourrait par exemple s'en servir pour faire des lanceurs spatiaux.

Des supraconducteurs non conventionnels

Malheureusement, cet espoir ne s'est pas encore réalisé et les progrès théoriques sont lents. On sait seulement que la théorie conventionnelle pour la supraconductivité, la théorie BCS, échoue pour rendre compte de la formation des paires de Cooper. D'ordinaire, ce sont les interactions entre les électrons et les phonons soniques, les quanta d'énergie des ondes sonores parcourant un réseau d'atomes, qui provoquent la formation de ces paires d'électrons.

Frank Steglich, le découvreur de la supraconductivité non conventionnelle avec des fermions lourds. © Rice University

Frank Steglich, le découvreur de la supraconductivité non conventionnelle avec des fermions lourds. © Rice University

Ce n'était pas la première fois que l'on découvrait des supraconducteurs non conventionnels, échappant à la théorie BCS. Le physicien Frank Steglich avait déjà découvert en 1979 un composé contenant une terre rare, le cérium, défiant les équations découvertes par Bardeen, Cooper et Schrieffer, même s'il nécessitait toujours de très basses températures pour être supraconducteur. Il s'agissait à l'époque du CeCu2Si2. On connaît aujourd'hui plus de 20 matériaux basés sur le cérium qui sont eux aussi des supraconducteurs atypiques.

La piste des excitations magnétiques

On avait des raisons de penser que les paires de Cooper dans ce type de supraconducteur étaient formées par des interactions magnétiques entre les électrons, et non plus par des interactions entre des électrons et des phonons. Comme on pense depuis quelque temps que dans le cas de la supraconduction à haute température, le magnétisme jouerait un rôle, il apparaît normal de reconsidérer le cas de CeCu2Si2 à la lumière des progrès théoriques et expérimentaux depuis 1979. C'est ce que viennent de faire Frank Steglich et ses collègues en utilisant les faisceaux de neutrons de l'institut Laue-Langevin à Grenoble.

Le CeCu2Si2 fait partie des supraconducteurs à fermions lourds. Les électrons de conduction, du fait d'effets quantiques, s'y comportent en effet comme des quasi-particules des centaines de fois plus lourdes qu'un électron normal. C'est au niveau d'effets collectifs magnétiques, en liaison avec les spins de ces particules, qu'il fallait probablement chercher une explication à la supraconductivité de ces matériaux.

Dépourvus de charges électriques mais pourvus de spin, les neutrons sont de bonnes sondes pour explorer les propriétés magnétiques d'un matériau et les structures ordonnées qui peuvent s'y trouver. C'est pourquoi on réalise depuis des dizaines d'années des expériences de diffusions de neutrons avec des matériaux magnétiques.

En l'occurrence, et comme il est exposé dans un article publié par Nature, les chercheurs ont bel et bien obtenu une signature d'excitation d'ondes de spin, et pas d'ondes sonores, avec CeCu2Si2. Cette signature apparaît au voisinage d'un point critique quantique, lié à la phase antiferromagnétique de ce supraconducteur à fermions lourds. Ce sont donc bien des forces magnétiques qui expliquent l'existence de ce supraconducteur non conventionnel, le premier du genre que l'on a découvert.

Il reste cependant encore du chemin à parcourir, mais cette découverte permettra peut-être un jour de comprendre ce qui se passe dans des cuprates.

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