La physique des supraconducteurs à haute température démêlée —


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  • Lorsque certains matériaux sont refroidis à une certaine température, ils perdent leur résistance électrique et deviennent des supraconducteurs.

    Dans cet état, une charge électrique peut traverser le matériau indéfiniment, faisant des supraconducteurs une ressource précieuse pour transmettre de grands volumes d’électricité et d’autres applications. Les supraconducteurs transportent l’électricité entre Long Island et Manhattan. Ils sont utilisés dans les appareils d’imagerie médicale tels que les appareils IRM, dans les accélérateurs de particules et dans les aimants tels que ceux utilisés dans les trains maglev. Même des matériaux inattendus, tels que certains matériaux céramiques, peuvent devenir supraconducteurs lorsqu’ils sont suffisamment refroidis.

    Mais auparavant, les scientifiques n’avaient pas compris ce qui se passe dans un matériau pour en faire un supraconducteur. Plus précisément, le fonctionnement de la supraconductivité à haute température, qui se produit dans certains matériaux à base d’oxyde de cuivre, n’a pas été compris auparavant. Une théorie de 1966 examinant un autre type de supraconducteurs postulait que les électrons qui tournent dans des directions opposées se lient pour former ce qu’on appelle une paire de Cooper et permettent au courant électrique de traverser librement le matériau.

    Une paire d’études dirigées par l’Université du Michigan a examiné le fonctionnement de la supraconductivité et a constaté, dans le premier article, qu’environ 50 % de la supraconductivité peut être attribuée à la théorie de 1966 – mais la réalité, examinée dans le deuxième article, est un peu plus compliqué. Les études, dirigées par le récent doctorant de l’UM Xinyang Dong et le physicien de l’UM Emanuel Gull, sont publiées dans Physique naturelle et le Actes de l’Académie nationale des sciences.

    Les électrons flottant dans un cristal ont besoin de quelque chose pour les lier, a déclaré Gull. Une fois que vous avez deux électrons liés ensemble, ils créent un état supraconducteur. Mais qu’est-ce qui relie ces électrons ? Les électrons se repoussent généralement, mais la théorie de 1966 suggérait que dans un cristal à forts effets quantiques, la répulsion électron-électron est masquée ou absorbée par les cristaux.

    Alors que la répulsion des électrons est absorbée par le cristal, une attraction opposée émerge des propriétés de rotation des électrons – et provoque la liaison des électrons en paires de Cooper. Ceci sous-tend le manque de résistivité électronique. Cependant, la théorie ne tient pas compte des effets quantiques complexes dans ces cristaux.

    « C’est une théorie très simple et, vous savez, elle existe depuis longtemps. C’était essentiellement le message théorique des années 1980, 1990 et 2000 », a déclaré Gull. « Vous pourriez écrire ces théories, mais vous ne pouviez pas vraiment calculer quoi que ce soit – si vous le vouliez, vous devriez résoudre des systèmes quantiques qui ont de nombreux degrés de liberté. Et maintenant, mon étudiant diplômé a écrit des codes qui font exactement cela. « 

    Pour l’article publié dans Physique naturelle, Dong a sondé cette théorie en utilisant des superordinateurs pour appliquer ce qu’on appelle la méthode de cluster dynamique à un supraconducteur à base d’oxyde de cuivre. Dans cette méthode, les électrons et leurs fluctuations de spin sont calculés ensemble, permettant aux chercheurs de faire une analyse quantitative des interactions entre les électrons et leur spin.

    Pour ce faire, Dong a scruté les régions où le matériau devient un supraconducteur et a examiné la principale quantité de fluctuation de spin appelée susceptibilité de spin magnétique. Elle a calculé la susceptibilité et calculé la région et, avec Gull et Andrew Mills, physicien à l’Université de Columbia, a analysé la région.

    Avec cette susceptibilité de spin, les chercheurs ont pu vérifier la prédiction de la théorie simple des fluctuations de spin. Ils ont découvert que cette théorie était compatible avec l’activité de supraconductivité – à environ 50 %. C’est-à-dire qu’environ la moitié de la supraconductivité d’un matériau peut être prise en compte à l’aide de la théorie des fluctuations.

    « C’est un grand résultat parce que d’une part, nous avons montré que cette théorie fonctionne mais aussi qu’elle ne capture pas réellement tout ce qui se passe », a déclaré Gull. « La question, bien sûr, est de savoir ce qu’il advient de l’autre moitié, et c’est là que le cadre théorique des années 1960 était trop simple. »

    Dans un article publié dans PNAS, Gull et Dong ont exploré cette autre moitié. Ils sont revenus pour examiner les systèmes d’électrons dans un modèle simplifié d’un cristal supraconducteur. Dans ce cristal d’oxyde de cuivre, il y a des couches de liaisons cuivre-oxygène. Les atomes de cuivre forment un réseau carré et, dans cette configuration, il manque un seul électron à chaque atome.

    Lorsque les physiciens ajoutent un élément tel que le strontium, qui partagera un électron avec la couche de cuivre-oxygène, le matériau devient conducteur. Dans ce cas, le strontium est appelé atome dopant. Au départ, plus vous ajoutez de porteurs de charge, plus le matériau deviendra supraconducteur. Mais si vous ajoutez trop de porteurs de charge, la propriété supraconductrice disparaît.

    En examinant ce matériau, Gull et ses co-auteurs ont examiné non seulement le spin des électrons, mais également leurs fluctuations de charge.

    Gull dit que les fluctuations qui sont pratiques pour comprendre le système se manifestent de deux manières : la première est que le signal est à un seul point d’impulsion, et la seconde est que le signal est à une basse fréquence. Une excitation basse fréquence à impulsion unique signifie qu’il y a une excitation de longue durée qui aide les chercheurs à voir et à décrire le système.

    Les chercheurs ont découvert que les fluctuations antiferromagnétiques – lorsque les électrons tournent dans la direction opposée – représentaient la majorité de la supraconductivité. Cependant, ils ont également vu des fluctuations ferromagnétiques qui ont contrecarré les fluctuations antiferromagnétiques, ce qui les a finalement ramenés à la découverte de 50 %.

    « Lorsque vous avez un système complexe à plusieurs électrons avec de nombreuses particules quantiques, il n’y a aucune raison pour qu’il y ait une image simple qui explique tout », a déclaré Gull. « En fait, nous trouvons étonnamment qu’un scénario comme la théorie de 1966 capture pas mal de choses – mais pas tout. »

    Gull dit que les prochaines étapes consisteront à voir si leurs découvertes peuvent les aider à prédire certains types de spectres, ou la lumière réfléchie, impliqués dans les supraconducteurs. Il espère également que les résultats permettront aux physiciens de comprendre le fonctionnement des supraconducteurs et, grâce à ces connaissances, de concevoir de meilleurs supraconducteurs.

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