Depuis des décennies, les scientifiques tentent de réaliser la supraconductivité – la capacité d’un matériau à transporter un courant avec une efficacité de 100 % – à haute température.
La supraconductivité pourrait révolutionner à peu près tout ce qui dépend de l’électricité, comme l’informatique, notre réseau électrique et les transports. Le fait qu’un courant électrique puisse traverser ces matériaux sans résistance signifie qu’ils sont incroyablement efficaces et extrêmement rentables. Mais nous avons eu du mal à atteindre la supraconductivité à des températures pratiques.
Dans le passé, on pensait que la supraconductivité ne pouvait se produire qu’à des températures proches du zéro absolu (environ -273 degrés Celsius), mais heureusement, au cours des deux dernières décennies, les scientifiques ont réussi à atteindre la supraconductivité à des températures relativement douces de -135 degrés Celsius.
Au début du mois, des chercheurs ont même réussi à réaliser l’incroyable exploit de la supraconductivité à température ambiante pour la toute première fois, mais seulement pendant une fraction de seconde (littéralement).
Malgré ces progrès, on a toujours eu l’impression que quelque chose faisait obstacle à la supraconductivité à haute température. Aujourd’hui, les scientifiques pensent savoir de quoi il s’agit : une mystérieuse phase de la matière connue sous le nom de “pseudo-gap”.
Au cours des 20 dernières années, des chercheurs de l’université de Stanford et du SLAC National Accelerator Laboratory (États-Unis) ont tenté de déterminer si le pseudogap favorisait ou entravait la supraconductivité à haute température.
Ils ont finalement trouvé la première preuve directe que cette phase de la matière vole les électrons qui, autrement, s’apparieraient et permettraient à un matériau d’être supraconducteur.
“Nous avons maintenant des preuves claires et nettes que la phase de pseudo-gap est en concurrence avec la supraconductivité et la supprime”, a déclaré Makoto Hashimoto, l’auteur principal, dans un communiqué de presse. “Si nous pouvons d’une manière ou d’une autre supprimer cette concurrence, ou mieux la gérer, nous pourrons peut-être augmenter les températures de fonctionnement de ces supraconducteurs.”
La relation entre les deux phases est présentée dans l’illustration ci-dessous.
Laboratoire national de l’accélérateur SLAC
Le pseudo-gap a été repéré pour la première fois à l’aide d’une technique appelée spectroscopie de photoémission résolue en fonction de l’angle (ou ARPES), qui fait sortir des électrons d’un matériau d’oxyde de cuivre afin que les chercheurs puissent observer leur comportement et déterminer ensuite comment ils se comporteraient à l’intérieur du matériau.
Les chercheurs font cela depuis des décennies avec les oxydes de cuivre, l’un des très rares matériaux connus pour présenter une supraconductivité à des températures relativement élevées, de l’ordre de -135 degrés Celsius.
Pendant la supraconductivité, les électrons quittent leur position habituelle et s’associent pour former des paires de Cooper, ce qui leur permet de conduire l’électricité avec une résistance nulle et une efficacité de 100 %. Les chercheurs ont pu observer ce comportement à l’aide de l’ARPES, sous la forme d’un écart net dans leurs graphiques du comportement des électrons.
Mais au milieu des années 1990, ils ont découvert un autre écart étrange dans leurs tracés de l’oxyde de cuivre. Elle ressemblait à la lacune “supraconductrice” laissée par les électrons se déplaçant en paires, mais elle était observée à des températures bien trop élevées pour la supraconductivité. Ils ont appelé cette phase le pseudo-gap, et l’ont étudiée depuis.
Pour comprendre ce qui se passe, l’équipe a étudié non seulement les énergies et les moments des électrons, mais aussi le nombre d’électrons d’énergies particulières qui sortent du matériau. Ils ont effectué ces tests sur une large gamme de températures et après avoir modifié les propriétés électroniques du matériau.
Au cours de leurs expériences, ils ont trouvé des preuves solides qu’à la “température de transition” d’environ -135 degrés Celsius, les états de pseudogap et de supraconductivité dans les oxydes de cuivre sont en concurrence pour les électrons. Leurs résultats sont publiés dans Nature Materials.
“Le pseudogap a tendance à manger les électrons qui veulent passer à l’état supraconducteur”, explique dans le communiqué le physicien Thomas Devereaux, qui a travaillé sur le projet.
“Les électrons sont occupés à faire la danse du pseudo-écart, et la supraconductivité essaie de s’installer, mais les électrons ne le permettent pas. Puis, lorsque le matériau passe à l’état supraconducteur, le pseudogap cède et rejette les électrons. C’est vraiment la preuve la plus solide que nous ayons de l’existence de cette compétition”
Cependant, l’équipe ne sait toujours pas ce qui provoque le pseudo-écart en premier lieu – et compte tenu de leur découverte, il est plus important que jamais de répondre à cette question.
Mais cette nouvelle recherche leur donne un point de départ.
“Nous pouvons maintenant modéliser la concurrence entre le pseudogap et la supraconductivité d’un point de vue théorique, ce qui n’était pas possible auparavant”, a déclaré Hashimoto dans le communiqué.
“Nous pouvons utiliser des simulations pour reproduire les types de caractéristiques que nous avons observées, et modifier les variables au sein de ces simulations pour essayer de cerner la nature du pseudogap.”
Ils espèrent qu’à l’avenir, cela les aidera à débloquer la supraconductivité à des températures beaucoup plus élevées.
“La concurrence n’est peut-être qu’un aspect de la relation entre les deux états. Il peut y avoir des questions plus profondes – par exemple, si le pseudogap est nécessaire pour que la supraconductivité se produise”, a ajouté Hashimoto.
Source : ScienceDaily