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Zoom sur les supraconducteurs à haute température critique

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C'est une découverte surprenante que viennent de faire des chercheurs de l'Université de Princeton. En utilisant un microscope à effet tunnel pour observer les détails des distributions de charge à l'échelle nanométrique, ils ont découvert que des îlots de zones restées dans un état supraconducteur existaient pour les cuprates même au-dessus de la température critique à laquelle l'appariement des électrons en paire de Cooper cesse. Une découverte qui pourrait nous rapprocher d'une technologie basée sur la supraconductivité à température ambiante.

En fonction de la température, des zones restées dans un état supraconducteur au-dessus de la température critique Tc disparaissent (Crédit : Ali Yazdani).

On sait que la supraconductivité repose en fait sur la formation d'un superfluide de charges à l'intérieur d'un conducteur. La superfluidité n'est théoriquement possible qu'avec des particules appelées des bosons, comme les photons et les atomes d'hélium 4. L'absence de résistance à l'écoulement pour des particules devient donc de la supraconductivité lorsque celles-ci sont chargées. En fait, les porteurs de charge dans un conducteur sont des électrons, et donc des fermions de spin demieentier, alors que les bosons sont des particules de spin entier. Comment donc un état superfluide est-il possible ?

La réponse fut trouvée en découvrant que dans certaines conditions, réalisées dans les matériaux supraconducteurs ordinaires, les électrons pouvaient se rassembler en paires dites de Cooper. L'addition de deux nombres demi-entiers donnant un entier, ces paires se comportent comme des bosons et sont donc théoriquement capables de donner lieu à un comportement supraconducteur. Malheureusement, le phénomène ne se manifeste qu'à de très basses températures, juste quelques degrés au-dessus du zéro absolu. Ce n'est pas pratique pour développer une technologie à grande échelle, comme le transport d'électricité sans perte sur de longues distances.

De façon inattendue, des céramiques baptisées cuprates, ont manifesté un comportement supraconducteur à plus haute température. La découverte au milieu des années 80 de ces supraconducteurs à haute température critique n'en finit pas de faire rêver les chercheurs. D'abord parce que le mécanisme responsable du phénomène n'est toujours pas correctement compris, ensuite parce que sa compréhension pourrait ouvrir la voie à la réalisation de supraconducteurs à température ambiante.

Ali Yazdani, un professeur de physique de l'Université de Princeton, a étudié plusieurs années de suite, avec ses étudiants et des collaborateurs, des images fournies par un microscope à effet tunnel en liaison avec les propriétés supraconductrices de différents types de cuprates supraconducteurs. En faisant varier la température, ils ont finalement pu mettre en évidence que des zones, s'étendant sur la longueur de quelques atomes, pouvaient contenir des paires de Cooper, et donc rester supraconductrices, alors même que l'échantillon de cuprates n'était plus globalement supraconducteur car au-dessus de sa température critique.

Ce phénomène est spécifique aux cuprates et se retrouve dans des zones de compositions chimiques bien précises. De façon incroyable, certaines de celles-ci sont restées supraconductrices près de 50 K au-dessus de la température critique de l'échantillon de haute qualité considéré. En observant attentivement ces zones n'occupant que le volume de quelques atomes, le secret de la supraconductivité à haute température pourrait être percé !

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