Un premier pas vers la compréhension de la supraconductivité à haute température dans les oxydes de cuivre
Publié par Adrien le 29/08/2019 à 08:00
Source: CNRS INP
En étudiant le diagramme de phase de l'oxyde de cuivre HgBa2Ca2Cu3O8+δ, des chercheurs ont démontré l'existence d'un lien d'origine microscopique entre l'état supraconducteur et la redistribution des charges dans le cristal (ordre de charge), qui se généralise à tous 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...) supraconducteurs.

Les supraconducteurs transportent le courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau conducteur. Ces déplacements sont...) sans dissiper d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) et ils ne peuvent pas être pénétrés par 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...). Il en découle de nombreuses applications, comme le transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal...) de l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la...) sans résistance et la lévitation (La lévitation est le fait, pour un être ou un objet, de se déplacer ou de rester en suspension au-dessus du sol, sous l'effet d'une force plus forte que la gravitation, sans contact physique...) de mobiles (trains, surf). Seulement, 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...) se manifeste à des températures très basses. Le plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et de numéro atomique 82. Le mot et le symbole viennent du latin plumbum.) est supraconducteur en dessous de 7 K (-266 °C) et le diborure de magnésium (MgB2) en dessous de 40 K (-233 °C). En revanche, la 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,...) de transition supraconductrice du cuprate HgBa2Ca2Cu3O8+δ peut atteindre 133 K (-140 °C) (figure 1c). Comprendre le mécanisme à l'origine de la supraconductivité dans les oxydes de cuivre appelés cuprates est donc un enjeu majeur pour espérer élaborer des supraconducteurs à des températures terrestres.


Figure 1: (a) Structure du cuprate HgBa2Ca2Cu3O8+d ; (b) Un monocristal de HgBa2Ca2Cu3O8+d, synthétisé au SPEC ; (c) Transition supraconductrice à 133 K mesurée par susceptibilité magnétique.

Des chercheurs du laboratoire Matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) et phénomènes quantiques (MPQ, CNRS/Univ. Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien,...) Diderot), en collaboration avec le Laboratoire de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la nature ;...) des solides (LPS, CNRS/Univ. Paris-Sud) et le Laboratoire national des champs magnétiques intenses (LNCMI, CNRS), sont parvenus, en étudiant la diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition »...) inélastique de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est...) sur les charges (effet Raman électronique), à distinguer les signaux spectroscopiques des ordres supraconducteur et de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.) au sein de la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) pseudogap dans le cuprate HgBa2Ca2Cu3O8+δ.

Pour la première fois, les échelles d'énergie associées aux ordres supraconducteurs et de charge ont pu être détectées simultanément grâce à une astuce 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. ...) qui a consisté à minimiser l'influence de la phase de pseudogap qui, sinon, aurait masqué leur observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...). Les chercheurs ont ainsi pu traquer les échelles d'énergies caractéristiques de l'ordre supraconducteur et de charge sur une large portion du diagramme de phase (Un diagramme de phase est une expression utilisée en thermodynamique (voir Phase) ; elle indique une représentation graphique, généralement à deux ou trois dimensions, représentant les domaines de...), grâce au contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) du nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de porteurs de charges dans les cristaux. Ils ont montré que ces énergies sont intimement liées: elles ont quasiment les mêmes valeurs et suivent la même évolution en fonction du nombre de porteurs de charges (figure 2b). Ceci suggère que l'ordre supraconducteur et de charge ont la même origine microscopique. L'échelle d'énergie du pseudogap a, elle aussi, la même évolution en dopage même si son énergie est plus élevée. Ceci conforte l'hypothèse que les ordres supraconducteurs, de charge et la phase de pseudogap sont intimement reliés.


Figure 2: (a) Diagramme de phase générique des cuprates ; (b) Evolution des échelles d'énergies des ordres de charge, supraconducteur et du pseudogap.

Pour parvenir à ce résultat, les chercheurs ont travaillé sur du cuprate de composition chimique: HgBa2Ca2Cu3O8+δ, dont la structure est représentée sur la figure 2a. Il a pu être synthétisée sous la forme de petits cristaux (figure 1b) de plusieurs centaines de microns de côté par deux chercheuses du Service de physique de l'état condensé (SPEC, CEA/CNRS). Leurs surfaces extrêmement propres et lisses permettent de les explorer optiquement.

Le diagramme de phase des cuprates révèle que le mécanisme à l'origine de la supraconductivité est différent de celui des métaux traditionnels, ou de leurs alliages comme le plomb ou le diborure de magnésium. En effet, en augmentant le nombre de porteurs de charges qui transportent le courant dans un cuprate, son état fondamental (En physique quantique, les états fondamentaux d'un système sont les états quantiques de plus basse énergie. Tout état d'énergie supérieure à celle des états fondamentaux est un état excité.) électronique est profondément modifié: d'un isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques, les isolants phoniques et les isolants mécaniques. Le contraire d'un...) antiferromagnétique (zone verte), il se transforme en un métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des métaux...) supraconducteur (zone rosée) (figure 2a).

Pour une concentration de porteurs correspondant à un dopage de 12 % (dopage assuré par l'ajout d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se...) d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) dans les plans d'atomes de mercure cf. figure 1a), l'ordre supraconducteur (en rosé dans la figure 2a) coexiste avec un ordre de charge (en bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm. Elle varie en luminosité du cyan à une teinte...) pastel) à basse température, ordre caractérisé par une redistribution des charges des électrons, différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application définie à...) de celle attendue habituellement, qui suit l'agencement des atomes du cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la...). Ces deux ordres se développent à l'intérieur d'une troisième phase dite de pseudogap, encore mal comprise. Pour étudier l'ordre supraconducteur dans cet enchevêtrement d'états, il faut identifier les propriétés individuelles de chaque ordre et le type d'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose...) qu'il développe avec les autres, et ainsi identifier les coopérations ou compétitions (par exemple, l'ordre de charge augmente-il ou diminue-t-il la supraconductivité ?). Dans ce but, il est nécessaire de développer des techniques expérimentales performantes comme les spectroscopies de diffusion de neutrons, de la lumière (Raman, infra-rouge, rayons X) ou encore de résonance magnétique nucléaire (La résonance magnétique nucléaire est une technique de spectroscopie appliquée aux particules ou ensembles de particules atomiques qui ont un spin nucléaire non nul.). Du côté théorique, il faut exploiter toute la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) du numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par opposition à une information dite « analogique »...) pour mettre en oeuvre de nouvelles approches théoriques telles que la cDMFT (cluster Dynamcis Mean field theory).

Ces travaux ouvrent une perspective nouvelle pour la compréhension du diagramme de phase des cuprates. Les ordres supraconducteurs et de charge sont les deux états que peut choisir le cuprate à basse température dans la phase de pseudogap. Cette dernière reste 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 éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure...) incomprise, mais les chercheurs viennent de faire une avancée remarquable en découvrant expérimentalement qu'il existe un lien, encore à identifier, qui unit les ordres supraconducteurs et de charge au sein du pseudogap. C'est un premier pas vers la compréhension du mécanisme à l'origine de la supraconductivité dans les cuprates.

Référence

Intimate link between charge density wave, pseudogap and superconducting energy scales in cuprates, B. Loret, N. Auvray, Y. Gallais, M. Cazayous, A. Forget, D. Colson, M.-H. Julien, I. Paul, M. Civelli et A. Sacuto, Nature Physics 15, 771 (2019). DOI: 10.1038/s41567-019-0509-5.

L'article 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 méthodes...) est disponible sur la base d'archives ouvertes ArXiv
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