Découverte de deux états quantiques d'un matériau supraconducteur prometteur

Publié par Adrien le 01/02/2020 à 08:00
Source: Université de Montréal
Toutes les technologies que nous utilisons fonctionnent grâce à des matériaux conducteurs d'électricité ou de champs magnétiques qui, à l'échelle atomique, offrent une résistance et engendrent une perte d'énergie importante... et coûteuse.


Aimant en lévitation (La lévitation est le fait, pour un être ou un objet, de se déplacer ou de rester en...) magnétique au-dessus d'un supraconducteur à haute température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) critique. L'expulsion du champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...) du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) supraconducteur (effet Meissner) est responsable de cet effet de lévitation. Crédit: Getty

Aussi, depuis une centaine d'années, de nombreux physiciens ont concentré leurs recherches sur la supraconductivité (La supraconductivité (ou supraconduction) est un phénomène caractérisé par...), un état quantique (En mécanique quantique, l'état d'un système décrit tous les aspects du système physique. Il...) de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) dans lequel l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la...) peut voyager à l'infini (Le mot « infini » (-e, -s ; du latin finitus,...) sans résistance tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) en esquivant les champs magnétiques.

L'un des supraconducteurs les plus étudiés au cours des 25 dernières années est le ruthénate de strontium (Le strontium est un élément chimique, de symbole Sr et de numéro atomique 38. Le...). Et récemment, le doctorant (Un doctorant est un chercheur débutant s'engageant, sous la supervision d'un directeur de...) Olivier Gingras, du Département de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) de l'Université de Montréal (L’Université de Montréal est l'un des quatre établissements d'enseignement...), a élaboré une théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) établissant deux nouvelles familles d'états quantiques spécifiques à ce matériau.

Cette théorie prometteuse, publiée dans les Physical Review Letters et formulée sous la codirection des professeurs Michel Côté, de l'UdeM, et André-Marie Tremblay, de l'Université de Sherbrooke (L'Université de Sherbrooke, fondée en 1954, est une université francophone...), ouvre la porte à de nouvelles avancées fondamentales dans le domaine de la physique contemporaine.

Supraconductivité non conventionnelle: le ballet des électrons !


Michel Côté et Olivier Gingras Crédit: Martin LaSalle
La supraconductivité n'est pas une propriété intrinsèque des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...): c'est plutôt une phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) de la matière, un peu comme lorsque l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) se transforme en glace (La glace est de l'eau à l'état solide.). D'ailleurs, pour devenir supraconducteurs, ils doivent être refroidis à des températures extrêmement basses. Les meilleurs matériaux connus en ce moment deviennent supraconducteurs à -135 °C, ce qui rend leur exploitation difficile ‒ et onéreuse.

Par ailleurs, il existe deux catégories de supraconducteurs: les conventionnels et les non-conventionnels.

"Dans les supraconducteurs conventionnels, c'est le mouvement de l'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que...) qui explique de quelle façon les électrons tombent en état de supraconductivité: l'atome agit comme un chef d'orchestre, illustre Michel Côté. Or, dans les supraconducteurs non conventionnels, l'atome ne joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les...) aucun rôle: ce sont les électrons eux-mêmes qui disciplinent leurs mouvements et se structurent de façon corrélée, comme dans un grand ballet!"

Le ruthénate de strontium: la drosophile des supraconducteurs ?

Si la théorie nommée Bardeen-Cooper-Schrieffer a permis en 1957 de comprendre le fonctionnement des supraconducteurs conventionnels, celui des supraconducteurs non conventionnels reste à établir.

Jusqu'en 1994, la famille de supraconducteurs la plus étudiée était celle des cuprates, une classe de matériaux à base de cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre...) qui requéraient l'ajout d'un dopant pour atteindre l'état de supraconductivité.

Mais cette année-là, on a découvert le ruthénate de strontium. Connu sous l'appellation scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...) Sr2RuO4 ou SRO, ce matériau est le premier supraconducteur de structure cristalline ne contenant pas de cuivre et il offre l'avantage de pouvoir être synthétisé de manière extrêmement pure. Initialement, on croyait qu'il allait même servir à créer l'ordinateur quantique (Un ordinateur quantique (ou rarement calculateur quantique) repose sur des propriétés quantiques...) !

"Pour plusieurs chercheurs, le ruthénate de strontium pourrait devenir l'équivalent, en physique des matériaux, de ce qu'est la drosophile dans la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) en génétique (La génétique (du grec genno γεννώ = donner naissance) est...), c'est-à-dire l'outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son...) qui permettrait d'analyser et d'expliquer la supraconductivité à partir de la symétrie (De manière générale le terme symétrie renvoie à l'existence, dans une...) des électrons", mentionne Olivier Gingras.

Toutefois, les différentes expériences menées sur ce supraconducteur ont donné des résultats fort différents.

"Tellement que même la caractéristique la plus fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) de l'état supraconducteur ‒ la symétrie du paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte...) d'ordre [ou la manière dont les électrons s'apparient pour donner naissance à la supraconductivité] ‒ reste un mystère pour les chercheurs", poursuit le lauréat de la prestigieuse bourse Excellence Hydro-Québec (Hydro-Québec est une société d'État québécoise fondée en 1944....) de l'UdeM.

Deux états quantiques qui pourraient "débloquer le code" de la "musique des électrons"

Aucune théorie unique ne décrit donc, de façon satisfaisante, le phénomène de la supraconductivité non conventionnelle.

Néanmoins, la théorie des fluctuations de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque...) et des charges est celle qui semble la plus plausible: elle postule l'existence d'un liant (Un liant est un produit liquide qui agglomère des particules solides sous forme de poudre....) qui explique le mouvement orchestré des charges électriques ‒ une sorte de musique inhérente aux électrons.

Pour tenter de déchiffrer cette "musique", il faut effectuer d'imposants calculs qui tiennent compte des effets collectifs d'un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) d'électrons en interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) constante. En effet, chaque gramme (Le gramme est une unité de masse du Système international (l'unité de base est le kilogramme) et...) de ruthénate de strontium contient 10 électrons... à la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) 23. C'est l'équivalent du nombre de grains de sable (Le sable, ou arène, est une roche sédimentaire meuble, constituée de petites...) dans le désert (Le mot désert désigne aujourd’hui une zone stérile ou peu propice à la...) du Sahara !

Olivier Gingras a donc confié les calculs d'essai de corrélation aux superordinateurs de Calcul Québec. Ces calculs ont nécessité l'utilisation de 100 processeurs qui, à l'issue d'une semaine, ont produit les résultats que le doctorant attendait.

"Nous avons découvert que, loin des instabilités où les fluctuations de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) augmentent, il existe deux triplets de spin à rupture de symétrie à inversion temporelle, c'est-à-dire deux nouvelles familles d'états quantiques potentiels", signale-t-il.

"Cette découverte pourrait faire progresser de façon phénoménale notre compréhension des matériaux quantiques, un peu comme si elle permettait de débloquer le code de la musique des électrons", illustre pour sa part le professeur Côté.

Une théorie qui intéresse les physiciens du monde entier

Les états quantiques mis au jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...) par Olivier Gingras suscitent déjà beaucoup d'intérêt dans la communauté scientifique.

Pour preuve, à l'issue de la présentation de ses résultats préliminaires en mars dernier au congrès de la Société américaine de physique, qui a réuni plus de 10 000 participants, il a été invité à un atelier de travail en Allemagne, en septembre, portant sur le magnétisme (Le magnétisme est un phénomène physique, par lequel se manifestent des forces...) et la supraconductivité.

"La supraconductivité non conventionnelle est le casse-tête du siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui...) en physique, conclut Olivier Gingras. C'est super intrigant et je souhaite contribuer à élucider ce mystère de la physique contemporaine."

Notons que sa recherche a été financée par le Fonds de recherche du Québec−Nature et technologies et par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada.
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