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La supraconductivité est un état où l'électricité circule sans résistance. Cela signifie qu'aucune énergie n'est perdue sous forme de chaleur, un rêve pour les applications énergétiques. Découverte en 1911 avec du mercure ultra froid, ce phénomène se retrouve dans des matériaux variés.
L'effet Meissner: une manifestation de la supraconductivité
Les supraconducteurs se divisent en deux types: ceux de type I, comme le plomb, et ceux de type II, tels que les cuprates. Ces derniers présentent un potentiel d'application plus vaste, fonctionnant à des températures plus élevées et résistants aux champs magnétiques.
Cependant, les cuprates ne se laissent pas facilement appréhender. Bien que la théorie BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer) explique la supraconductivité dans les métaux traditionnels, elle échoue face à la complexité des cuprates. Ces matériaux affichent des comportements étranges, notamment les fameux arcs de Fermi.
Les arcs de Fermi illustrent les directions privilégiées des mouvements d'électrons. Ces courbes surprenantes sont représentatives des comportements atypiques des électrons dans les cuprates. Cette restriction directionnelle met en difficulté les modèles théoriques habituels.
Une avancée majeure vient d'une équipe de l'Université technique de Vienne. Grâce à des techniques innovantes, ils ont pu visualiser ces arcs à l'aide de lasers. Cela a permis d'élaborer des modèles théoriques éclairant ces interactions.
Surface de Fermi (bleu) et surface de Luttinger (gris) pour le modèle proposé (gauche) et le modèle de Hubbard (droite).
Les chercheurs ont mis en évidence que les interactions magnétiques, en particulier l'antiferromagnétisme, sont essentielles pour comprendre le comportement des électrons dans les cuprates. Dans ce phénomène, les moments magnétiques des atomes ne s'alignent pas dans la même direction, mais plutôt de manière alternée. Cette disposition rappelle celle d'un échiquier, où chaque case représente un atome et où les orientations magnétiques alternent entre deux directions opposées.
Concrètement, cela signifie que si un atome a son moment magnétique orienté vers le haut, l'atome voisin aura le sien orienté vers le bas, et ainsi de suite. Cette configuration crée un champ magnétique complexe à l'échelle microscopique, influençant le mouvement des électrons. Ces interactions antiferromagnétiques engendrent des contraintes sur les états quantiques que les électrons peuvent occuper, restreignant leur mouvement à des directions spécifiques.
Ainsi, la manière dont ces moments magnétiques interagissent conditionne la dynamique électronique au sein des cuprates, contribuant à l'émergence des arcs de Fermi observés dans ces matériaux.
Cette avancée ouvre la voie à de nouvelles recherches sur des matériaux présentant des propriétés non conventionnelles. En comprenant mieux les arcs de Fermi, il devient possible d'envisager des applications innovantes, dans le domaine par exemple des systèmes énergétiques et des ordinateurs quantiques.
La supraconductivité, avec ses implications vastes, pourrait transformer notre rapport à l'énergie et à la technologie. L'avenir réserve peut-être des découvertes impressionnantes dans le domaine.