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Supraconducteurs à haute température : le courant passe avec les phonons

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Les phonons, sortes de micro-vibrations que l'on trouve au sein des solides cristallins, joueraient un rôle majeur aux côtés des électrons dans le phénomène de supraconductivité à haute température. Une expérience américano-japonaise en a fait une démonstration colorée.

Des distributions spatiales d'énergie de création de paire (à gauche) et d'énergie vibratoire (à droite) qui sont semblables, montrent un lien entre les deux phénomènes au sein d'un supraconducteur à haute température.

Une équipe de l'université Cornell aux Etats-Unis, associée à d'autres chercheurs américains et à des scientifiques japonais, a pu observer pour la première fois l'interaction entre électrons et « phonons » au sein d'un cristal supraconducteur à haute température(1). Rappelons qu'un phonon est un quantum d'énergie de vibration dans un solide.

Par rapport à la supraconductivité conventionnelle, c'est-à-dire oeuvrant à basse température (proche du zéro absolu, soit -273 °C), l'enjeu de la compréhension des matériaux supraconducteurs à haute température (au maximum 138 K, soit -135 °C) est très important, car cette technologique « réduit la dissipation de chaleur dans l'environnement cryogénique d'un facteur dix, et rend les amenées de courant plus efficaces » selon les experts.

Un spectroscope à effet tunnel détecte les bosons

En physique de la matière condensée, la supraconductivité est communément admise comme résultant de la formation de paires d'électrons qui adoptent le comportement de bosons. Sous l'effet du phénomène de condensation de Bose-Einstein (2), les bosons ont tous le même état quantique, formant un gaz quantique parfait composé de particules n'interagissant ni entre elles ni avec les autres excitations du système. C'est ce qui permet au courant électrique de circuler sans résistance.

Or si dans les supraconducteurs conventionnels les paires d'électrons peuvent aisément être montrées à l'aide d'un spectroscope à effet tunnel (STS pour « scanning tunnelling spectroscopy ») capable de révéler les bosons, jusqu'à ce jour la même observation n'avait pas pu être faite pour les supraconducteurs à haute température.

Le physicien Seamus Davis, de Cornell, a donc travaillé avec son équipe ainsi que des chercheurs du laboratoire Lawrence Berkeley, du laboratoire national de Los Alamos, de l'université de Tokyo, de l'AIST à Ibaraki et de l'université d'Osaka au Japon, sur un supraconducteur BSCCO (oxyde de bismuth-strontium-calcium-cuivre). Les scientifiques ont pu effectuer pour la première fois des mesures à haute température sur ce Bi2 Sr2CaCu2O8+x qui fait partie des oxydes pouvant être supraconducteurs à une température supérieure à l'ébullition de l'azote, 77 K (BSCCO devient supraconducteur en dessous de 95 K).

Les chercheurs ont d'abord mesuré les états d'énergie à une échelle atomique, en plaçant la sonde du spectroscope au dessus de la surface du BSCCO et en observant les variations de courant électrique entre l'échantillon et la sonde en fonction de la différence de potentiel appliquée sur cette dernière. Puis ils ont aussi constaté que le courant électrique changeait lorsque la sonde était déplacée de quelques nanomètres seulement.

Phonons et paires d'électrons du rouge au bleu

Ces résultats pourraient montrer que le mécanisme de création des paires d'électrons est lié à de minuscules mouvements, par une interaction entre les électrons et le cristal dans laquelle interviendraient les phonons.

Quantum associé à l'onde de vibration des atomes, au même titre que le photon est associé à une onde électromagnétique, le phonon est aussi un boson. Et l'interaction entre électrons et phonons se matérialise très bien dans l'expérience de Davis, grâce des variations de couleurs (voir la figure) traduisant les énergies mises en jeu. L'image de gauche montre la distribution spatiale de l'énergie nécessaire constatée pour créer des paires d'électrons dans l'échantillon cristallin de matériau supraconducteur à haute température. L'image de droite reproduit, elle, la distribution de l'énergie vibratoire dans le cristal BSCCO. On voit distinctement qu'il y a une correspondance entre les deux.

Cela vient contredire l'hypothèse proposée jusqu'ici. Les chercheurs pensaient en effet que le courant dans un supraconducteur à haute température était dû à des interactions entre électrons ou à des effets liés au magnétisme des atomes.

(1): "Interplay of electron-lattice interactions and superconductivity in Bi2Sr2CaCu2O8+ ", Nature 442, 546-550 (3 August 2006).
(2): Une boîte optique pour piéger et étudier les gaz quantiques

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