L’oxyde de cuivre et de strontium lanthane ne représente peut-être pas grand-chose pour la plupart d’entre nous, mais pour les physiciens, il pourrait bien détenir le secret de la mise au point de composants électroniques qui conduisent l’électricité avec une efficacité quasi parfaite.
Placée à l’intérieur d’un puissant champ magnétique, cette substance ne conduit pas l’électricité comme les autres métaux.
Une fois que nous saurons pourquoi, nous pourrons enfin comprendre comment une catégorie de matériaux séduisants appelés supraconducteurs à haute température (SHT) opère sa magie.
Contrairement à leurs cousins à basse température, ces matériaux chauds sont constitués de certaines combinaisons d’éléments disposés de manière à ce qu’une charge puisse se déplacer librement malgré les interruptions de particules grossièrement agitées.
Attention, le terme “chaud” est assez relatif. Ils ont besoin de températures inférieures à -135 °C (-211 °F). C’est mieux que les quelque -240 °C des supraconducteurs à basse température, mais cela ne vous aidera pas à tirer plus de jus de la batterie de votre ordinateur portable.
Repousser les limites des supraconducteurs à haute température pourrait nous permettre d’y arriver un jour. Le seul problème est que nous ne savons pas grand-chose sur leur fonctionnement.
Une équipe de recherche dirigée par le National High Magnetic Field Laboratory de l’université d’État de Floride a découvert une coïncidence intéressante qui pourrait ouvrir la voie à un mécanisme à l’origine de ce phénomène.
Des caractéristiques étranges
Dans la plupart des métaux, les électrons interagissent avec d’autres particules de leur environnement pour former ce que l’on appelle une quasi-particule. Plus que la somme de ses parties, cet objet possède toutes les caractéristiques d’un électron normal, à quelques nuances près.
Les quasi-particules sont également utilisées pour expliquer comment une charge se déplace en douceur dans les supraconducteurs. En se couplant avec les caractéristiques de son environnement, l’électron modifie son comportement, l’aidant à se comporter de manière inhabituelle.
Une meilleure compréhension de ces états de quasiparticules semble être la clé pour résoudre l’énigme de la construction d’un supraconducteur capable de supporter une certaine chaleur.
Les matériaux à base d’oxyde de cuivre – appelés cuprates – constituent une catégorie de STH. Il s’agit de fines feuilles d’oxyde de cuivre prises en sandwich entre d’autres matériaux qui permettent de “doper” les couches conductrices.
À la bonne température, cette combinaison devient ce que les spécialistes des matériaux appellent un “métal étrange”.
L’étrangeté vient de l’étrange relation entre la baisse régulière de la température et la quantité de résistance fournie par ses atomes agités.
Pour la plupart des métaux, lorsque la température augmente, chaque degré supplémentaire ajoute la même quantité de résistance. Cette relation linéaire s’effondre à des températures plus froides.
Ce n’est pas le cas pour les cuprates. Bien qu’ils se trouvent toujours dans leur zone de supraconduction froide, ils continuent à présenter une relation linéaire “étrange” entre la résistance et la température.
Nouveaux flux
Les chercheurs étaient curieux de connaître la relation entre la résistance et la force du champ magnétique environnant. D’autres études avaient appliqué le magnétisme pour tester diverses caractéristiques des cuprates, mais aucune n’avait étudié les variations de sa force.
Ils ont donc placé un morceau de cuprate d’oxyde de cuivre de lanthane et de strontium dans un champ magnétique de 80 teslas, soit plus de 50 fois plus fort que le champ que l’on trouve dans un scanner médical ordinaire.
Le réglage de ce champ a également révélé une relation linéaire de la résistance, tout comme dans son état “étrange” avec une baisse de la température.
Il est peu probable que ces similitudes soient une pure coïncidence.
“Habituellement, lorsque vous voyez de telles choses, cela signifie qu’il y a un principe très simple derrière”, explique le physicien Arkady Shekhter.
La découverte d’une augmentation proportionnelle de la résistance en fonction de l’augmentation du magnétisme suggère également une corrélation dans le comportement des électrons, ce que l’on soupçonnait mais qui manquait de preuves supplémentaires.
Cette corrélation entre les électrons exclut tout rôle pour des quasi-particules indépendantes. Cela signifie qu’il doit s’agir de quelque chose de tout à fait différent de la conductivité typique.
“Nous nous trouvons dans une situation où aucun langage existant ne peut nous aider”, explique M. Shekhter. “Nous devons trouver un nouveau langage pour penser à ces matériaux.”
Avec un nouveau langage vient la possibilité de nouvelles façons de construire et de régler des matériaux encore plus étranges avec des propriétés supraconductrices.
Y compris, peut-être, des matériaux qui n’ont pas besoin d’un réservoir d’hydrogène liquide pour rester froids.
Cette recherche a été publiée dans Science.