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Posté par Redbran le Dimanche 28/02/2016 à 00:00
Découverte du point cardinal de l'état supraconducteur
Le professeur Louis Taillefer est passionné par la supraconductivité et plus particulièrement par les cuprates qu'il étudie depuis près de 25 ans. Physicien reconnu internationalement, il contribue par ses recherches à mieux comprendre ces matériaux qui demeurent les meilleurs supraconducteurs connus à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil...).


Etats d'un supraconducteur. Illustration: Université de Sherbrook

"La grande force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles « force (vertu) » et...) du Pr Taillefer, c'est de mettre fin à des débats", explique Alexis Reymbaut, Ph.D.(1). C'est exactement ce que le chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont...) et une équipe de collaborateurs internationaux ont fait en dévoilant un principe organisateur pour les électrons dans les cuprates, clé de la supraconductivité (La supraconductivité est un phénomène survenant dans certains matériaux dits supraconducteurs. Il est caractérisé par l'absence de résistance électrique et l'annulation du champ magnétique à l'intérieur du matériau...) à température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du...) élevée.

Cette équipe a cerné une transition au cœur de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état...), un point (Graphie) critique, qui pourrait expliquer pourquoi les cuprates recèlent une puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) supraconductrice si impressionnante. "Il est très probable que ce point critique explique pourquoi la supraconductivité se manifeste, et pourquoi elle le fait avec une telle force", indique Louis Taillefer. Les nouveaux résultats sont publiés dans la revue Nature.

Ces recherches ont été réalisées dans le cadre du programme Matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) quantiques de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) canadien de recherches avancées (ICRA). L'étude a su allier l'expertise du professeur Doug Bonn, du professeur émérite (Dans le domaine de l'enseignement supérieur, l'éméritat est un titre honorifique accordé à certains professeurs admis à faire valoir leur droit à la retraite. Décerné en considération des travaux et des...) Walter Hardy et du spécialiste des matériaux Ruixing Liang de l'Université de la Colombie-Britannique en matière de fabrication des cuprates ; du professeur Louis Taillefer et du reste de son équipe en matière d'analyse et de l'équipe dirigée par Cyril Proust, chercheur CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) (2), du Laboratoire national des champs magnétiques intenses (LNCMI), dans la production de puissants champs magnétiques.

Selon les chercheurs, cette nouvelle découverte servira de point cardinal (En géographie, un point cardinal est l'une des quatre principales directions d'une boussole sur un plan : nord, est, sud et ouest.) pour la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne également...) en supraconductivité, ce qui les mènera à une nouvelle compréhension des supraconducteurs.

Une transition de phase quantique sous-tend la supraconductivité dans les oxydes de cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses surfaces fraîches une teinte rosée à pêche. C'est un...)

Des physiciens ont cerné la transition qui pourrait expliquer pourquoi les oxydes de cuivre recèlent une puissance supraconductrice si impressionnante.

Venant clore un débat (Un débat est une discussion (constructive) sur un sujet, précis ou de fond, annoncé à l'avance, à laquelle prennent part des individus ayant des avis, idées, réflexions ou opinions divergentes pour le sujet considéré. Un...) vieux de vingt ans dans le domaine, les chercheurs ont découvert qu'une mystérieuse transition de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) quantique, appelée "pseudogap", entraîne une forte diminution du nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'électrons conducteurs disponibles pour l'appariement nécessaire à la supraconductivité. L'équipe avance l'hypothèse que ce qui se passe à ce moment explique probablement pourquoi les cuprates permettent la supraconductivité à des températures bien plus élevées que d'autres matériaux – à mi-chemin de la température ambiante.

"Il est très probable que ce point critique explique pourquoi la supraconductivité se manifeste, et pourquoi elle le fait avec une telle force", dit Louis Taillefer, Boursier principal de l'ICRA (Université de Sherbrooke). Les nouveaux résultats sont publiés dans la revue Nature.

Louis Taillefer, directeur du programme Matériaux quantiques, a collaboré avec son équipe, ainsi qu'avec d'autres membres de l'ICRA, soit: Cyril Proust (Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses), Doug Bonn, Walter Hardy et Ruixing Liang (tous trois de l'Université de la Colombie-Britannique). L'étude a su allier l'expertise de l'Université de la Colombie-Britannique en matière de fabrication de cuprates, l'expertise de l'Université de Sherbrooke en matière d'analyse et les compétences du laboratoire de Toulouse dans la production de puissants champs magnétiques.

Leurs travaux s'inscrivent dans une initiative internationale visant l'exploitation de la supraconductivité – la transmission d'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne...) sans résistance dans certains matériaux – afin d'augmenter considérablement le rendement énergétique de nombreuses technologies. Actuellement, les cuprates constituent les matériaux les plus prometteurs en la matière, mais le milieu de la recherche doit relever un formidable problème de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général...): comprendre la mystérieuse phase "pseudogap".

"Voilà le débat qui fait rage (La rage est une maladie virale grave touchant les mammifères dont l'Homme. Elle est causée par un virus qui provoque une encéphalite....) depuis vingt ans – que se passe-t-il dans la phase pseudogap ?", dit Taillefer.

Le mystère est demeuré entier pendant tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) ce temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) principalement parce que quand la supraconductivité se manifeste, il devient difficile d'en étudier les comportements sous-jacents. Grâce à un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction, définie en tout point de...) deux millions de fois plus puissants que celui de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par...), l'équipe de scientifiques a réussi à supprimer la supraconductivité dans des échantillons de cuprates et à examiner avec soin la phase pseudogap à des températures près du zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr, d’abord transcrit zefiro en italien) est un symbole marquant une position vide dans l’écriture des nombres en notation...) absolu (- 273 C).

Au point d'instabilité où s'installe la phase pseudogap, la structure électronique des cuprates subit un changement radical. Le nombre d'électrons disponibles diminue brusquement d'un facteur 6. Cela marque une transition de phase quantique – un changement fondamental de comportement dans le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison...).

Selon les scientifiques, ces nouveaux travaux vont considérablement modifier l'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) des recherches futures et mèneront à une nouvelle compréhension des propriétés des supraconducteurs. Taillefer explique que ce résultat nous rapproche de l'élucidation de la nature du point critique et de ses fluctuations, ainsi que de l'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) du mécanisme de fonctionnement de la supraconductivité à température ambiante.

Cette découverte vient dans la foulée de recherches intenses sur le mystère du pseudogap, après que ce même groupe de chercheurs de l'ICRA eu découvert les premiers signes d'un comportement étrange par l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le...) d'oscillations quantiques en 2007. "La mise au point à Toulouse de mesures à très bas niveau de bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation auditive.), essentielles à la découverte des oscillations quantiques en 2007 et, récemment, la conception et la construction de notre aimant (Un aimant est un objet fabriqué dans un matériau magnétique dur, c’est-à-dire dont le champ rémanent et l'excitation coercitive sont grands (voir ci-dessous). Cela lui donne des propriétés...) 90 T, ont donné lieu à de nouvelles possibilités nous permettant d'examiner directement le point critique pseudogap", dit Cyril Proust.

Selon le Boursier associé de l'ICRA, Subir Sachdev (Université Harvard), les résultats valident certaines de ses recherches théoriques récentes et orientent plus clairement les recherches futures qui se concentreront sur ce point critique.

"Je m'enthousiasme maintenant à l'idée de travailler à la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur l’observation ou l’expérience,...) d'un tel état critique", ajoute Sachdev. "Les nouvelles expériences affinent vraiment notre compréhension des choses."

Taillefer explique que ces recherches n'auraient pu voir le jour sans les efforts de l'ICRA pour favoriser la collaboration dans le domaine des matériaux quantiques au Canada et à l'échelle internationale. "L'ICRA se trouve vraiment au cœur de ces avancées", dit-il. Bonn ajoute que le soutien à long terme de collaborations sur le développement de matériaux et de nombreuses techniques expérimentales pour l'étude de ces matériaux a fait avancer le domaine. "La collaboration entre l'Université de la Colombie-Britannique et l'Université de Sherbrooke est un exemple de longue date particulièrement probant, où chaque nouvelle découverte expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et politique. En science, il s'agit d'approches de recherche basées sur des...) a suscité le développement plus poussé des échantillons de matériaux utilisés dans l'expérience", dit-il.

"Cette percée illustre comment une collaboration soutenue d'envergure (L'envergure est la distance entre les extrémités des ailes. Le terme est valable pour définir un oiseau, un chiroptère, un avion (ou planeur).) mondiale qui réunit diverses expertises de partout au monde (Le mot monde peut désigner :) constitue le moyen le plus puissant pour faire avancer la science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris,...) et relever d'importants défis relatifs à la durabilité", dit le Dr Alan Bernstein, président et chef de la direction de l'ICRA.

"Cette découverte fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) illustre une fois de plus l'extrême qualité des travaux menés par le Pr Taillefer. Lui et son équipe ont contribué à nos succès au terme du premier concours inaugural du Fonds d'excellence en recherche Apogée (Un apogée (du grec apogeios : loin de la terre ; apo : loin + gê : Terre), dans les domaines de l'astronomie et de l'astronautique, est le point extrême de l'orbite elliptique d'un astre ou d'un corps...) Canada, consolidés par la création récente de l'Institut Quantique à l'Université de Sherbrooke", explique le Pr Jacques Beauvais, vice-recteur à la recherche, à l'innovation et à l'entrepreneuriat.

L'année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.) dernière, l'Université de Sherbrooke et l'Université de la Colombie-Britannique ont reçu au total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple :...) 100 millions de dollars du Fonds d'excellence en recherche Apogée Canada à l'appui de la recherche sur les matériaux quantiques et les technologies quantiques.

Notes:
(1) M. Reymbaut, docteur en physique théorique (La physique théorique est la branche de la physique qui étudie l’aspect théorique des lois physiques et en développe le formalisme mathématique.), a agi à titre de consultant pour le contenu scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les...) de ce reportage.
(2) Centre national de la recherche scientifique (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne également le cadre...) (France)


Pour plus d'information voir:
- Article dans Nature
- Institut canadien de recherches avancées
- Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses (Toulouse)
- Département de physique et d'astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer leur origine, leur évolution, leurs propriétés physiques et chimiques. Elle...) de l'Université de la Colombie-Britannique


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Source: Université de Sherbrooke
 
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