Sciences

Supraconductivité : les électrons lourds sous l'oeil du microscope

ActualitéClassé sous :physique , supraconductivité , électron lourd

Pour mieux comprendre les supraconducteurs à haute température, on étudie la façon dont la masse effective de certains électrons peut être multipliée par mille dans certains alliages intermétalliques. Un groupe de chercheurs vient d'observer l'émergence de cette masse dans un réseau de Kondo en utilisant la microscopie à effet tunnel.

Le physicien japonais Jun Kondo, qui a donné son nom à l'effet Kondo. © AIST, Tokyo

La plupart des métaux voient leur résistance baisser lorsqu'on les refroidit. Pas tous. C'est ainsi que dans les années 1930, on a découvert que certains alliages avec des impuretés magnétiques présentaient une résistance augmentant à nouveau en dessous d'une certaine température suffisamment basse. On est en mesure de comprendre l'origine de ce phénomène depuis les travaux publiés principalement par le physicien japonais Jun Kondo en 1964.

L'effet Kondo, comme on l'appelle désormais, découle des lois de la mécanique quantique tout comme la supraconductivité. On peut le décrire avec ce qui est connu comme un réseau de Kondo, c'est-à-dire une répartition périodique d'atomes magnétiques constituant des impuretés dans un conducteur métallique. Ce réseau est tel qu'il apparaît un couplage magnétique entre le spin de certains électrons sur des orbitales des atomes magnétiques fixes et le spin des électrons de conduction du matériau considéré. 

Une vue d'artiste d'un électron de conduction dans un fermion lourd. © Yazdani Group

Il se produit alors comme une sorte d'intrication quantique des électrons, mais il serait plus juste de parler d'hybridation, similaire à celles des électrons dans les molécules, dont le résultat final est de donner une masse effective aux électrons qui peut être multipliée par mille dans certains alliages intermétalliques. Ces alliages où électrons de type f et électrons provenant de bandes de conduction s'emmêlent quantiquement, constituent ce que l'on appelle des systèmes à fermions lourds, ou tout simplement des fermions lourds. Les plus connus de ces alliages intermétalliques contiennent des atomes de terre rare (cérium) ou d'actinides (uranium). Tout se passe un peu comme si une bille passait de l'air dans de l'huile : une force de résistance au mouvement équivalente à une augmentation de masse se manifeste alors.

Les fermions lourds sont connus depuis 1975 mais ce sont probablement les propriétés supraconductrices de certains d'entre eux qui ont vraiment commencé à attirer l'attention.

Les fermions lourds et les supraconducteurs non conventionnels

Le phénomène de la supraconductivité passionne des générations entières de chercheurs et des théoriciens de premier calibre se sont attaqué à sa compréhension comme Lev Landau et Pierre Gilles de Gennes. Ce n'est que grâce à la mécanique quantique, avec la fameuse théorie BCS, que l'on a enfin compris les événements se déroulant dans les supraconducteurs dits conventionnels.


Vidéo sur la découverte de la supraconductivité et ses applications. © CNRS Images/INP/Université Paris-Diderot

Mais les fermions lourds supraconducteurs découverts en 1979 par Frank Steglich font justement partie des supraconducteurs non conventionnels. La formation des paires de Cooper expliquée dans la théorie BCS par un couplage avec les phonons d'un réseau cristallin semble découler d'interactions magnétiques dans les fermions lourds.

Certains pensent qu'il en est de même dans le cas des cuprates, les supraconducteurs à haute température critique. Surtout, si c'est bien le cas, il apparaît que les fermions lourds sont d'excellents laboratoires pour tenter de percer les mystères des supraconducteurs à haute température. Si on parvenait à fabriquer de tels matériaux fonctionnant à température ambiante, toute notre technologie en serait changée. Il serait possible par exemple, de se rendre de Kiev à Pékin en une heure.

C'est dans ce cadre qu'il faut replacer des travaux de chercheurs américains, publiés dans un article de Nature et disponible sur arxiv, si l'on veut comprendre leur importance.

Les physiciens ont observé la surface d'un cristal de fermion lourd à l'aide d'un microscope à effet tunnel. Cela leur a permis de reconstruire le comportement des ondes de matière d'électrons dans le réseau de Kondo contenu dans le matériau étudié. Lorsque la température est devenue très basse et que l'état de ce réseau s'est rapproché de ce qu'on appelle un point critique quantique, les électrons massifs ont émergé et ce sont les détails de cette émergence au fur et à mesure de la baisse de température qui sont devenus observables pour la première fois avec un microscope à effet tunnel.

Il a été possible de découvrir que la supraconductivité émergeait lorsqu'une délicate balance entre les effets quantiques localisant les électrons au niveau des impuretés magnétiques et ceux assurant la propagation libre des électrons était obtenue. Si la structure et la composition du réseau de Kondo rendaient la masse effective des électrons trop forte, un état purement magnétique du matériau en découlait, sans propagation d'électrons. Un facteur clé est aussi celui du degré d'hybridation des électrons.

Cela vous intéressera aussi