Résumé :
Les scientifiques ont réalisé de nouveaux progrès dans le domaine de la recherche sur la supraconductivité à haute température. Une équipe de recherche internationale de l'Université de Bristol au Royaume-Uni, de l'Université Radboud aux Pays-Bas et d'institutions compétentes en Chine et aux États-Unis a trouvé des preuves expérimentales à l'appui d'une théorie importante : dans un type de matériau supraconducteur à haute température en cuprate, les fluctuations de spin entre les électrons peuvent jouer un rôle clé dans le processus d'appariement des électrons. Cette étude, publiée dans Nature Physics, fournit de nouvelles preuves pour comprendre le phénomène de supraconductivité à haute température, mais les chercheurs ont souligné qu'il reste encore du chemin à parcourir avant d'expliquer pleinement le mécanisme de la supraconductivité à haute température.
La supraconductivité fait référence au phénomène selon lequel la résistance de certains matériaux tombe à zéro après être tombée en dessous d'une certaine température critique, et le courant peut continuer à circuler sans pertes de résistance conventionnelles. Cette propriété rend les matériaux supraconducteurs précieux dans des domaines tels que les aimants hautes performances, les équipements médicaux d’imagerie par résonance magnétique, les instruments de mesure de précision et la transmission efficace de l’énergie. Cependant, de nombreux matériaux supraconducteurs doivent fonctionner à des températures extrêmement basses, et les coûts de réfrigération et la complexité technique limitent leur utilisation généralisée. Par conséquent, la recherche de matériaux capables d’atteindre une supraconductivité à des températures plus élevées et la clarification des mécanismes physiques qui les sous-tendent ont toujours été des axes de recherche importants en physique de la matière condensée.
La théorie traditionnelle de la supraconductivité a été établie au milieu du XXe siècle. La théorie BCS proposée par Bardeen, Cooper et Schriever explique le principe de fonctionnement de nombreux supraconducteurs conventionnels : les vibrations du réseau dans le matériau peuvent indirectement favoriser la formation de paires d'électrons, et ces paires d'électrons entrent conjointement dans un état supraconducteur avec une cohérence quantique macroscopique.
Cependant, l'émergence de supraconducteurs cuprates à haute température a remis en question cette théorie. En 1986, des scientifiques ont découvert un matériau à base d'oxyde de cuivre capable de supraconducteur à des températures nettement supérieures à la température critique des supraconducteurs traditionnels. Depuis, la température critique de ce type de matériaux n’a cessé d’augmenter, et certains matériaux peuvent atteindre environ 150 Kelvin, soit environ moins 123 degrés Celsius, sous pression normale. Bien que cette température soit encore bien inférieure à la température ambiante, elle a considérablement abaissé le seuil de réfrigération requis pour atteindre la supraconductivité.
Le problème est que les chercheurs n'ont pas encore complètement compris le mécanisme par lequel les électrons de l'oxyde de cuivre forment un état apparié pouvant produire de la supraconductivité. Les scientifiques ont proposé diverses théories, l'une d'entre elles étant que la fluctuation collective des spins des électrons peut produire une attraction efficace entre les électrons et les aider à former des paires.
Le spin électronique peut être grossièrement compris comme une propriété quantique intrinsèque des électrons, liée au magnétisme. Le spin des électrons dans les matériaux ne reste pas toujours statique, mais peut subir des changements complexes dans le temps et dans l’espace. On pense que les fluctuations de spin formées par ces changements sont potentiellement impliquées dans la formation de supraconductivité à haute température. Les chercheurs ont déjà pu mesurer de manière assez détaillée les fluctuations de spin et de charge dans les oxydes de cuivre, mais il manquait un élément de preuve clé : quel est le lien entre la force de l'interaction entre les électrons et ces fluctuations et la température critique supraconductrice du matériau ?
Pour répondre à cette question, l'équipe de recherche a préparé un échantillon de film spécial. Les chercheurs ont utilisé des oxydes de lanthane, de cérium et de cuivre comme matériaux de base et ont formé un film mince avec un gradient de composition lisse sur le substrat par dépôt couche par couche, de sorte que le matériau passe progressivement d'une température critique plus élevée à n'être plus supraconducteur sur toute la longueur de l'échantillon.
Cette conception permet aux chercheurs de comparer le comportement résistif dans différentes conditions au sein du même échantillon et d'analyser la relation entre la diffusion électronique et la température critique supraconductrice. L’équipe de recherche a ensuite combiné les résultats d’expériences sur des champs magnétiques élevés et d’autres mesures et a découvert que les données confirmaient l’idée selon laquelle les fluctuations de spin sont impliquées dans l’appariement des électrons, fournissant ainsi des preuves expérimentales qui manquaient auparavant à cette théorie.
Cependant, les chercheurs ne prétendent pas que tous les mystères de la supraconductivité à haute température ont été résolus. La recherche porte sur des supraconducteurs à base d'oxyde de cuivre dopés aux électrons, et dans la famille des cuprates, il existe une autre situation importante : la modification des propriétés du matériau en réduisant les électrons et en introduisant ce qu'on appelle des trous, c'est-à-dire le dopage par trous. Les expériences montrent que bien que ces deux types de matériaux aient des structures de base similaires, ils présentent des propriétés supraconductrices très différentes.
Il convient particulièrement de noter que la température critique la plus élevée se produit généralement du côté du dopage des trous. Les chercheurs auraient pu s’attendre à ce qu’en améliorant l’interaction entre les électrons et les fluctuations de spin, ou en augmentant la fréquence des fluctuations associées, ils puissent encore augmenter la température critique supraconductrice. Cependant, après avoir comparé les nouveaux résultats de la recherche avec les précédentes études sur des champs magnétiques élevés sur des matériaux dopés par des trous, l’équipe a découvert que les choses ne sont pas si simples.
Les chercheurs pensent qu'en plus des fluctuations de spin, il pourrait exister un autre facteur important qui n'a pas encore été entièrement identifié, aidant les matériaux dopés par des trous à atteindre des températures critiques supraconductrices plus élevées. En d’autres termes, la recherche actuelle découvre une pièce importante du puzzle, mais elle ne dresse pas encore un tableau complet.
L'importance de cette découverte est qu'elle aide les scientifiques à réduire davantage la portée inconnue de la théorie de la supraconductivité à haute température. Au cours des dernières décennies, les chercheurs ont accumulé une multitude de données sur les changements dans le comportement électronique, le magnétisme et la résistance des cuprates, mais ont eu du mal à identifier ce qui détermine réellement l’appariement supraconducteur. Désormais, en reliant le comportement de diffusion des électrons à la température critique, les chercheurs disposent de preuves expérimentales plus directes pour tester davantage différents modèles théoriques.
L'équipe de recherche a souligné que les prochains travaux se concentreront sur la recherche d'autres facteurs conduisant à des différences dans les températures supraconductrices de différents matériaux cuprates, et sur l'établissement d'une théorie complète pouvant expliquer simultanément le comportement des matériaux dopés aux électrons et aux trous. Ce n’est qu’une fois ces mécanismes mieux expliqués que les scientifiques seront en mesure de prédire de manière plus fiable quels matériaux sont prometteurs en matière de supraconductivité à plus haute température.
La raison pour laquelle la recherche sur la supraconductivité à haute température a fait l'objet d'une large attention est que si des matériaux supraconducteurs fonctionnant plus près de la température ambiante peuvent être développés à l'avenir sans nécessiter de pression extrême, l'impact potentiel sera étendu. Les lignes électriques supraconductrices peuvent réduire les pertes résistives traditionnelles, les dispositifs à champ magnétique élevé peuvent devenir plus efficaces et certaines technologies électroniques et quantiques peuvent également en bénéficier. Cependant, ces applications dépendent encore des propriétés des matériaux, des coûts de fabrication, de la stabilité et des conditions techniques réelles, et les recherches actuelles ne signifient pas que ces technologies seront pleinement mises en œuvre.
Dans l'ensemble, cette recherche n'annonce pas la découverte de la supraconductivité à température ambiante, ni ne résout l'ensemble du mécanisme de la supraconductivité à haute température, mais elle fournit un support expérimental clé pour la théorie de l'appariement par fluctuation de spin dans les oxydes de cuivre dopés aux électrons. Il s’agit d’une évolution importante pour le problème de la supraconductivité à haute température qui intrigue la communauté des physiciens depuis des décennies : les scientifiques passent progressivement de l’observation de phénomènes quantiques complexes à l’identification des facteurs clés qui contrôlent réellement la formation de la supraconductivité et sa température critique.
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