Supraconducteurs à haute température critique: découverte d'un mécanisme fondamental
Publié par Redbran le 28/01/2019 à 14:00
Source: Université de Sherbrooke

Anaëlle Legros, première auteure de la publication et doctorante à l'Université de Sherbrooke.
Des chercheurs de l'Institut quantique percent un mystère des supraconducteurs à haute température critique.

Les électrons se propageant dans un conducteur électrique sont soumis à de multiples collisions, qui dissipent leur 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 donne lieu à la résistance électrique d'un 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...). Une équipe menée par les Professeurs Louis Taillefer et Patrick Fournier 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...) quantique vient maintenant de démontrer qu'il existe une limite fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) à la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la...) d'énergie que les électrons peuvent dissiper dans les supraconducteurs à haute 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...) critique, une percée majeure publiée dans le prestigieux journal Nature Physics.

Les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) supraconducteurs révolutionneront un 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...) notre vie (La vie est le nom donné :) quotidienne, dans des domaines aussi variés que l'approvisionnement en énergie, la médecine (La médecine (du latin medicus, « qui guérit ») est la science et la pratique (l'art) étudiant l'organisation du corps humain (anatomie), son fonctionnement normal...), et les communications. À ce jour, des 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 surfaces fraîches une teinte rosée...), les cuprates, sont les candidats les plus prometteurs pour faire passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) 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...) des basses températures, typiquement inférieures à -150°C, à la température ambiante. Or, ces matériaux sont complexes et les mécanismes à l'origine de leur état de résistance nulle restent à ce jour incompris. Résoudre cette énigme est un des grands défis de la 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...) contemporaine.

Hors de leur phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) supraconductrice, ces matériaux présentent une résistance électrique énigmatique: elle varie de façon linéaire en fonction de la température, alors que dans 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...) une variation quadratique est attendue. Identifiée il y a près de 30 ans, cette propriété est un mystère central des cuprates, d'importance comparable à leur spectaculaire supraconductivité. Les chercheurs de l'IQ ont découvert la clé de ce phénomène: à basse température, peu importe le cuprate étudié, ils ont observé une limite commune à la quantité d'énergie que les électrons peuvent dissiper. Elle correspond à la limite de Planck, ou Planckienne, qui est la limite supérieure de dissipation permise par la mécanique quantique (Fille de l'ancienne théorie des quanta, la mécanique quantique constitue le pilier d'un ensemble de théories physiques qu'on regroupe sous l'appellation générale de physique quantique. Cette...).

"En comparant nos données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) sur différents cuprates, il devenait de plus en plus clair qu'elles étaient unies par un mécanisme universel. Cette limite Planckienne nous donne enfin une base sur laquelle une 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...) pourra être élaborée" commente Anaëlle Legros, première auteure du papier (Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres cellulosiques végétales et animales. Il se présente sous forme de feuilles minces et est...) et leader du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande diversité de...) dans le cadre de son doctorat (Le doctorat (du latin doctorem, de doctum, supin de docere, enseigner) est généralement le grade universitaire le plus élevé. Le titulaire de ce grade est le docteur. Selon les pays et les époques, le doctorat peut...). "C'est un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) entier d'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) qui s'ouvre à nous, car cette caractéristique a aussi été observée dans plusieurs autres familles de matériaux. Nous semblons avoir touché à un mécanisme fondamental de la nature, dont les implications sont encore insoupçonnées" ajoute son directeur de thèse (Un chercheur qui supervise le travail d'un doctorant est appelé directeur de thèse (au féminin, directrice ou directeur).), Louis Taillefer. En effet, ce phénomène semble avoir de multiples ramifications, comme en témoigne de récents articles traitant des trous noirs, de gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.), ou encore d'information quantique.

Réalisés en partenariat avec Cyril Proust à Toulouse et Dorothée Colson à Saclay, ces travaux réunissent, avec Taillefer et Fournier, quatre chercheurs du Laboratoire International Associé France-IQ - le Laboratoire Circuits et Matériaux Quantiques. Cette collaboration Sherbrooke-France a d'ailleurs été soulignée par le prix Adrien-Pouliot de l'Acfas en novembre 2018. C'est aussi un bel (Nommé en l’honneur de l'inventeur Alexandre Graham Bell, le bel est unité de mesure logarithmique du rapport entre deux puissances,...) exemple de doctorat en cotutelle, Taillefer et Colson ayant conjointement dirigés Anaëlle Legros, qui poursuivra maintenant sa carrière de chercheure avec un stage (Un stage est le plus souvent une période de formation, d'apprentissage ou de perfectionnement qui dure quelques jours à plusieurs mois dans un...) postodctoral à l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) Johns Hopkins aux USA.

L'Institut canadien de recherches avancées est également au coeur de cette collaboration, Proust, Fournier, et Taillefer étant tous membres du programme sur les matériaux quantiques. La fondation Gordon & Betty Moore a contribué au financement de cette étude, via une subvention (Une subvention est une aide financière, c’est-à-dire une somme d’argent, qui est allouée par une institution publique ou privée à une personne ou une...) à Taillefer dans le cadre de son programme Emergent Phenomena in Quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit « quanta » au pluriel) représente...) Systems.
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