Des physiciens ouvrent une nouvelle voie vers une étrange forme de supraconductivité

Les chercheurs ont publié un nouveau cadre théorique.

Les physiciens ont identifié un mécanisme responsable de la création de supraconducteurs oscillants, appelés ondes à paires de densité. Les résultats, qui mettent en évidence un état atypique de haute supraconductivité observé dans certains matériaux comme les supraconducteurs à haute température, sont publiés dans Lettres d’examen physique.

« Nous avons découvert que les structures connues sous le nom de singularités de Van Hove peuvent produire des états de supraconductivité modifiés et oscillants », explique Louise Santos, professeure adjointe de physique à l’Université Emory et auteur principal de l’étude. « Notre travail fournit un nouveau cadre théorique pour comprendre l’émergence de ce comportement, un phénomène qui n’est pas bien compris. »

Le premier auteur de l’étude est Pedro Castro, un étudiant diplômé en physique d’Emory. Les co-auteurs sont Daniel Shaffer, un boursier postdoctoral du groupe Santos, et Yi-Ming Wu de l’Université de Stanford.

Santos est un scientifique théoricien spécialisé dans la physique de la matière condensée. Il étudie les interactions de la matière quantique – de petites choses comme les atomes, les photons et les électrons – qui ne se comportent pas selon les lois de la physique classique.

La supraconductivité, ou la capacité de certains matériaux à conduire l’électricité sans perdre d’énergie lorsqu’ils sont refroidis à une température extrêmement basse, est un exemple de comportement quantique intéressant. Ce phénomène a été découvert en 1911 lorsque le physicien néerlandais Heike Kamerling Onnes a montré que le mercure perdait sa résistance électrique lorsqu’il était refroidi à 4 Kelvin, soit moins 371 degrés. F. Il s’agit d’une température Uranusla planète la plus froide du système solaire.

Il a fallu aux scientifiques jusqu’en 1957 pour trouver une explication de comment et pourquoi la supraconductivité se produit. Aux températures normales, les électrons errent plus ou moins indépendamment. Ils entrent en collision avec d’autres particules, les obligeant à changer de vitesse et de direction et à dissiper de l’énergie. Cependant, à des températures plus basses, les électrons peuvent s’organiser dans un nouvel état de la matière.

Louise Santos, professeur adjoint de physique à l’Université Emory, est l’auteur principal de l’étude. Crédit : Université Emory

« Ils forment des paires liées ensemble dans un état collectif qui agissent comme une seule entité », explique Santos. « Vous pouvez les considérer comme des soldats dans une armée. S’ils se déplacent isolément, ils sont faciles à dévier. Mais lorsqu’ils marchent ensemble à un rythme régulier, il est très difficile de les déstabiliser. Cet état collectif porte le courant dans un moyen puissant.

La supraconductivité recèle un énorme potentiel. En théorie, cela pourrait permettre au courant électrique de traverser les fils sans les chauffer ni perdre d’énergie. Ces fils peuvent alors transporter beaucoup plus d’électricité, et avec beaucoup plus d’efficacité.

« L’un des grands sanctuaires de la physique est la supraconductivité à température ambiante, qui est suffisamment pratique pour les applications quotidiennes », déclare Santos. « Cette percée pourrait changer la forme de la civilisation. »

De nombreux physiciens et ingénieurs travaillent sur cette ligne de front pour révolutionner la transmission de l’électricité.

Pendant ce temps, la supraconductivité a déjà trouvé des applications. Les bobines supraconductrices fonctionnent grâce à l’énergie magnétique utilisée dans les appareils d’imagerie par résonance magnétique (IRM) pour le diagnostic médical. Une poignée de trains à lévitation magnétique sont maintenant en service dans le monde, construits sur des aimants supraconducteurs dix fois plus puissants que les électroaimants ordinaires. Les aimants se repoussent lorsque les deux pôles identiques se font face, générant un champ magnétique capable de soulever et de propulser le train.

Le Large Hadron Collider, un accélérateur de particules que les scientifiques utilisent pour rechercher la structure de base de l’univers, est un autre exemple de technologie qui fonctionne grâce à la supraconductivité.

La supraconductivité continue d’être découverte dans de plus en plus de matériaux, dont beaucoup sont supraconducteurs à des températures plus élevées.

L’un des axes de recherche de Santos est de savoir comment les interactions entre les électrons peuvent conduire à des formes de supraconductivité qui ne peuvent être expliquées par la description de la supraconductivité de 1957. Un exemple de phénomène dit exotique est la supraconductivité oscillante, lorsque des électrons appariés dansent en ondes, modifiant la capacité .

Dans un projet indépendant, Santos a demandé à Castro d’étudier certaines propriétés des singularités de van Hove, des structures dans lesquelles de nombreux états électroniques deviennent proches en énergie. Le projet Castro a révélé que les singularités semblent avoir le bon type de physique pour ensemencer la supraconductivité oscillante.

Cela a incité Santos et ses collaborateurs à creuser plus profondément. Ils ont découvert un mécanisme qui permettrait aux états ondulatoires dansants de la supraconductivité d’émerger des singularités de van Hove.

« En tant que physiciens théoriciens, nous voulons pouvoir prédire et classer le comportement afin de comprendre le fonctionnement de la nature », explique Santos. « Ensuite, nous pouvons commencer à poser les questions technologiques pertinentes. »

Certains supraconducteurs à haute température – qui fonctionnent à des températures trois fois plus froides qu’un congélateur domestique – ont ce comportement d’onde dansante. Comprendre comment ce comportement émerge des singularités de van Hove fournit une base aux expérimentateurs pour explorer le monde des possibilités qu’il présente.

« Je doute que Kamerlingh Onnes ait pensé aux lévitations ou aux accélérateurs de particules lorsqu’il a découvert la supraconductivité », déclare Santos. « Mais tout ce que nous apprenons sur le monde a des applications potentielles. »

Référence: « L’émergence de la densité des ondes et des paires de Chern suralimentées par des singularités de Van Hove d’ordre supérieur dans le modèle Haldane-Hubbard » par Pedro Castro, Daniel Shaffer, Ye-Ming Wu et Louise H. Santos, 11 juillet 2023, disponible ici . Lettres d’examen physique.
DOI : 10.1103/PhysRevLett.131.026601

Le travail a été financé par le Bureau des sciences énergétiques de base du Département américain de l’énergie.