Une vision d'artiste des nouvelles paires de Cooper découvertes dans un semimétal. Elles se comportent comme si les deux électrons étaient en orbite autour d'un noyau d'atome et avaient donc un moment cinétique 3/2. © Emily Edwards, University of Maryland

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Une supraconductivité inconnue avec de nouvelles paires de Cooper

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La propriété de supraconduction s'explique par l'apparition de paires de Cooper, des électrons associés par deux quand la température descend sous une valeur critique. Les électrons ont un spin 1/2 mais des chercheurs viennent pour la première fois de démontrer que dans un alliage YPtBi, ces électrons appariés se comportent comme s'ils avaient chacun un spin 3/2. C'est du jamais vu.

Supraconductivité : les secrets de la lévitation quantique  Difficile de ne pas éprouver une fascination envers la supraconductivité. Cette propriété quantique qui, entre autres prouesses, fait léviter les objets, est aujourd’hui au centre d’un grand nombre de recherches de pointe. Voici en vidéo un aperçu des plus belles lévitations quantiques. 

Le phénomène de conduction électrique s'est révélé bien plus compliqué et varié que ne pouvaient le soupçonner les pionniers de l'électricité tels que Coulomb, Franklin, Volta ou Ohm. Le premier modèle prometteur de conduction des électrons que le physicien Paul Drude a proposé en 1900 était basé sur une analogie avec la théorie cinétique des gaz. Pourtant, ce modèle ne décrit pas bien la conductivité des métaux, car il fournit des valeurs bien trop faibles. Ce n'est qu'avec la découverte des principes de la mécanique quantique, et surtout du caractère ondulatoire de la matière, que des physiciens comme Hans Bethe, Rudolph Peierls et quelques autres ont commencé à y voir plus clair.

C'est finalement à la fin des années 1920 que le prix Nobel de physique Félix Bloch a obtenu la première clé de la physique du solide en utilisant les ondes de matière de Louis de Broglie, pour décrire la propagation des électrons dans un réseau cristallin. Les noyaux occupant les sites y génèrent un potentiel électrostatique effectif, variant périodiquement dans l'espace. Que ce soit dans un métal ou dans un semi-conducteur, ce potentiel peut être approximé par une série de créneaux. Il existe alors des solutions particulières de l'équation de Schrödinger contrôlant la propagation des ondes de matière électronique dans ce cristal. Elles expliquent pourquoi des électrons peuvent s'y déplacer sans être rapidement freinés par des collisions avec les noyaux. Ces solutions décrivent les « ondes de Bloch ».

Félix Bloch (1905-1983) était un physicien suisse. Edward Mills Purcell et lui se sont partagé le prix Nobel de physique de 1952 pour leurs travaux sur la résonance magnétique nucléaire (RMN). On lui doit d'importants travaux en physique du solide avec la découverte des ondes de Bloch. © Weizmann Institute of Science

Les paires de Cooper, la clé de la supraconductivité

Découverte au début du XXe siècle, la supraconductivité est un bien étrange phénomène par lequel la résistance électrique s'annule, dans certains matériaux, au-dessous d'une température critique. Il aura cependant fallu attendre les années 1950 pour que soit élaborée une première théorie expliquant ce phénomène, quantique là aussi, la théorie BCS (voir l'article ci-dessous).

Elle suppose que les électrons, des fermions de spin ½, se combinent pour donner des paires de Cooper, sortes de quasi-particules, selon l'expression consacrée, qui se comportent comme des bosons, c'est-à-dire des particules de spin entier.

Le domaine des matériaux supraconducteurs s'est bien étendu depuis, notamment à partir du milieu des années 1980 avec la découverte des matériaux supraconducteurs à hautes températures critiques pour lequel il n'existe toujours pas de théorie. Elle serait pourtant indispensable pour, peut-être, en tirer un supraconducteur à température ambiante, un « unobtainium ». Des considérations issues d'une branche ésotérique des mathématiques, la topologie, ont aussi fait leur apparition dans ce domaine depuis presque 50 ans et elles ont conduit à l'attribution d'un prix Nobel.

Une présentation de la supraconductivité. © CEA Recherche

Un semimétal topologique supraconducteur

Un bon exemple de ces recherches est une récente découverte publiée dans le journal Science Advances. Les auteurs ont travaillé sur un semimétal étudié depuis quelques années, de type YPtBi, car composé d'yttrium, platine et bismuth. Ce matériau est une sorte d'alliage d'Heusler, présentant donc des propriétés ferromagnétiques alors qu'il est formé d'éléments qui ne le sont pas. On avait découvert qu'il était supraconducteur près du zéro absolu, alors qu'il n'est pas un bon conducteur dans les conditions standards, ce qui est le cas des supraconducteurs conventionnels, tel le mercure.

Les chercheurs le qualifient de « semimétal topologique » et l'équipe de physiciens états-uniens, à l'origine de la récente publication, annonce maintenant qu'elle y a débusqué un phénomène prédit également tout récemment et qui semblait impossible dans un solide. Les électrons dans les ondes Bloch s'y comporteraient comme les électrons autour d'un atome, donc avec un moment cinétique qui est la composition du spin propre de chaque électron et d'un moment cinétique orbital, comme s'il tournait autour d'un noyau (soit 3/2). Sauf que dans le cas présent, les électrons se déplacent librement dans le supraconducteur exotique. Finalement, les paires de Cooper semblent donc formées d'électrons de Bloch se comportant comme si chacun avait un spin 3/2.

Pour le démontrer, les physiciens ont étudié de plus près un phénomène associé aux supraconducteurs plongés dans un champ magnétique. Ils expulsent les lignes de ce champ, c'est l'effet Meissner.

Enfin, presque, en réalité, dans une boule supraconductrice par exemple, ce champ pénètre un tout petit peu sous la surface mais son intensité diminue très rapidement, de manière exponentielle. Cela se traduit par une modification mesurable du champ magnétique extérieur. Une autre modification était prévue par la théorie prédisant des électrons de Bloch de spin 3/2 (liée au fait que la diminution de l'intensité est linéaire dans le matériau) et c'est elle que les chercheurs, dont plusieurs sont de l'université de Maryland (États-Unis), ont mesurée.

Il vient donc de s'ouvrir un tout nouveau champ d'étude pour les supraconducteurs exotiques avec de toutes nouvelles paires de Cooper formées d'électrons de Bloch, dont les moments cinétiques ne sont pas forcément de valeur ½.

  • Seule la théorie quantique permet de vraiment comprendre le phénomène de la conduction électrique mais il reste encore des zones d'ombres dans ce phénomène, en particulier dans le domaine des matériaux supraconducteurs qui se sont montrés plus divers que prévu.
  • Nous avons toutefois que la supraconductivité résulte de la formation de paires d'électrons donnant un superfluide, même si la formation de ces paires reste mal comprise dans le cas des supraconducteurs exotiques.
  • Un nouveau supraconducteur de ce genre a été découvert récemment, un semimétal topologique, comme l'appellent les physiciens.
  • Il s'y forme des électrons dans les paires de Cooper qui se comportent comme des électrons dans un atome avec un moment cinétique 3/2, du jamais vu ni encore imaginé dans un solide il y a encore peu de temps.
Pour en savoir plus

Supraconductivité : et voilà de nouvelles paires de Cooper

Article de Laurent Sacco publié le 08/12/2010

La supraconductivité ordinaire s'explique bien grâce aux paires de Cooper, de moment cinétique nul, formées à partir de deux électrons. Pour la première fois, des paires de Cooper de moment cinétique non nul ont été observées, ouvrant peut-être la voie pour de nouveaux dispositifs supraconducteurs.

La supraconductivité a été découverte par le Hollandais Heike Kamerlingh Onnes en 1911. Mais ce phénomène paradoxal, qui permet à un courant électrique de s'écouler sans résistance (et donc sans pertes) dans certains matériaux, n'a vraiment commencé à être compris qu'avec les travaux de trois physiciens : John Bardeen, Leon Cooper et John Robert Schrieffer. La théorie BCS pour les supraconducteurs conventionnels, acronyme des noms de ces trois chercheurs, fut proposée en 1957 et leur vaudra le prix Nobel de physique en 1972.

Dans cette théorie, la mécanique quantique se révèle un ingrédient essentiel, aussi bien parce qu'elle fait intervenir des phonons acoustiques que parce qu'elle repose sur la fameuse statistique de Bose-Einstein découverte par Satyandra Nath Bose. Des bosons se formant (connus sous le nom de paires de Cooper), il est possible aux électrons de s'écouler à la façon d'un superfluide dans le réseau cristallin de certains métaux ou alliages, comme celui de niobium-titane.

De gauche à droite, John Robert Schrieffer, John Bardeen et Leon Cooper, les auteurs de la théorie BCS. © University of Illinois

Des paires d'électrons quantiques

Leon Cooper avait compris que dans le cas des supraconducteurs conventionnels, l'interaction entre le gaz des électrons libres dans un métal et les phonons acoustiques de son réseau cristallin, permettait à deux électrons de s'apparier. Les électrons sont des fermions, c'est-à-dire des particules de moment cinétique (spin) demi-entiers (plus précisément ½), et ils ne peuvent pas constituer un gaz de bosons. Mais tout change s'ils s'associent en paires...

En effet, la somme des deux moments cinétiques des électrons a pour valeur 0 ou 1 (selon que les spins sont parallèles ou antiparallèles), donc des nombres entiers caractéristiques des bosons. Plus précisément, il existe deux états quantiques : l'état singulet de moment cinétique nul, avec des spins antiparallèles, et un état de spin entier, dit état triplet.

Jusqu'à présent, dans les paires de Cooper, seul l'état singulet avait été observé, mais certains pensaient qu'il était également possible qu'existe un état triplet.

Un groupe de chercheurs de l'université de Santa Barbara (États-Unis), de la Ruhr-Universität Bochum (RUB) et de la Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) vient justement de prouver cette existence dans la cas d'une jonction Josephson (du nom du prix Nobel Brian Josephson) bien particulière, comme il est expliqué dans un article récent de la Physical Review B.

Le prix Nobel de physique Brian Josephson. © GNU Free Documentation License, Wikipedia

Des jonctions Josephson avec un matériau ferromagnétique

D'ordinaire, une jonction Josephson, comme celle des Squids, est un sandwich formé de deux couches de matériaux supraconducteurs avec une tranche très fine d'un isolant entre les deux. Les paires de Cooper ne peuvent passer d'une couche à l'autre que grâce à un autre phénomène quantique : l'effet tunnel.

Normalement, si l'on remplace l'isolant par un matériau ferromagnétique, les paires de Cooper sont détruites. Plus exactement, les paires de Cooper ne peuvent plus exister dans un état singulet, contrairement aux paires dans un état triplet (selon les calculs théoriques), pourvu qu'elles puissent se former.

Si tel est le cas, on devait donc observer un courant traversant une jonction Josephson avec un matériau ferromagnétique adéquatement préparé. C'est exactement ce que les chercheurs ont obtenu avec un alliage de Heusler ferromagnétique de formule Cu2MnAl. Mieux, le courant obtenu était même plus intense que dans le cas des jonctions Josephson conventionnelles.

Il ne s'agit pas simplement de la confirmation d'une prédiction de la théorie BCS. Les jonctions Josephson sont utilisées non seulement pour mesurer les faibles champs magnétiques du cerveau mais sont également prometteuses comme alternative plus efficace au capteur CCD en astronomie. Le télescope Herschel en est ainsi équipé. La découverte des chercheurs pourrait donc déboucher sur une nouvelle génération de dispositifs.

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