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Posté par Michel le Vendredi 03/12/2010 à 00:00
Supraconductivité à haute température: un nouvel ordre magnétique aux origines du phénomène ?
Les matériaux supraconducteurs à haute température critique révèlent une part de leur mystère: les chercheurs du Laboratoire Léon Brillouin (CEA/CNRS), en collaboration avec des scientifiques de l'université du Minnesota (USA), sont parvenus à valider expérimentalement la théorie selon laquelle il existerait dans ces matériaux un état ordonné de la matière, aux propriétés magnétiques inédites, qui précèderait la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) supraconductrice. Cette découverte a fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction...) d'une publication en novembre dans la revue Nature et constitue une étape importante dans la maîtrise de la supraconductivité à haute température.

Découverte en 1911, la supraconductivité est un état de la matière caractérisée par l'absence de résistance électrique et l'annulation du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique. Les matériaux supraconducteurs sont ainsi en mesure de conduire le courant électrique sans déperdition d'énergie. Pour devenir supraconducteur, ces matériaux doivent classiquement être portés à une température extrêmement basse, qui peut varier entre 1 et 20 K (soit entre -272 et -253 degrés Celsius), mais qui reste proche du zéro absolu.

Depuis 1987 cependant, la supraconductivité n'est plus confinée à ces températures extrêmes: les chercheurs ont découvert que certains matériaux à base d'oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne également l'ion oxyde O2-.) 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...) étaient capables d'atteindre l'état supraconducteur à une température de 135 K (-138 degrés Celsius). Alors que les supraconducteurs classiques nécessitent un refroidissement à l'hélium liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.), ces matériaux, appelés supraconducteurs à haute température critique, peuvent être simplement refroidis à l'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le gaz diatomique diazote N2, constituant majoritaire de...) liquide, ce qui pourrait rendre leur utilisation beaucoup plus accessible.

Pour expliquer ce phénomène de la supraconductivité à haute température, les physiciens doivent parvenir à élucider le comportement particulier de ces matériaux qui, avant de devenir supraconducteurs, passent par une phase totalement inédite. Au cours de cette phase intermédiaire, appelée phase de « pseudo-gap », apparaissent des propriétés électroniques anormales, qui ne correspondent pas au comportement des métaux conventionnels.

Plusieurs modèles théoriques ont été proposés pour décrire cette phase de pseudo-gap. L'un d'entre eux, celui du professeur C.M. Varma, de l'Université de Riverside (Californie), postule l'existence d'un ordre caché d'où émergerait l'état supraconducteur de la matière: en dessous d'une certaine température, apparaîtrait un nouvel état de la matière dans lequel des boucles microscopiques de courant électrique se formeraient de manière spontanée. La phase de pseudo-gap résulterait de l'apparition de ces nano-boucles de courant.

C'est cette théorie qu'une équipe du Laboratoire Léon Brillouin (CEA/CNRS), en collaboration avec une équipe de l'université du Minnesota (USA), vient de valider, grâce aux observations réalisées avec le spectromètre à neutrons polarisés IN20 (1) de l'Institut Laue Langevin (L'Institut Laue-Langevin (ILL), nommé ainsi en l'honneur des physiciens Max von Laue (physicien allemand 1879-1960) et Paul Langevin (physicien...) (ILL). En effet, pour la première fois, l'équipe a pu ainsi observer une excitation magnétique insoupçonnée, présentant une très faible dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un milieu dispersif, c'est-à-dire dans lequel les...) et n'existant exclusivement que dans la phase de pseudo-gap. Ce comportement est celui attendu lorsqu'on postule l'existence de nano-boucles de courant. Après la mise en évidence d'un ordre magnétique dans la phase pseudo-gap en 2006, l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens...) de ses excitations magnétiques renforce donc la théorie d'une origine magnétique de la supraconductivité à haute température. L'interprétation de ce phénomène fascinant semble proche, mais ces observations doivent encore être validées sur d'autres composés.

Expliquer les performances de ces matériaux supraconducteurs à haute température critique est un vrai défi. De nombreux laboratoires sont en compétition à travers le monde (Le mot monde peut désigner :) pour découvrir les fondements théoriques de la supraconductivité à haute température critique. Les enjeux scientifiques et technologiques sont majeurs car les contraintes liées aux très basses températures nécessaires pour atteindre l'état supraconducteur de la matière restent un frein (Un frein est un système permettant de ralentir, voire d'immobiliser, les pièces en mouvement d'une machine ou un véhicule en cours de déplacement.) au développement des technologies utilisant la supraconductivité.


Note:

(1) Ce spectromètre à haut flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens...) de neutrons est actuellement le plus performant au monde de sa catégorie.


Référence:

“Hidden magnetic excitation in the pseudogap phase of a model cuprate superconductor”
Yuan Li, V. Balédent, G. Yu, N. Bariši?, K. Hradil, R.A. Mole, Y. Sidis, P. Steffens, X. Zhao, P. Bourges, M. Greven, Nature 468, 283-285 (10 November 2010).

Illustration: arXiv.org, Yuan Li et al.
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Source: CNRS