L'un des plus grands mystères de la physique expérimentale est le fonctionnement des matériaux supraconducteurs à haute température. Malgré leur nom, les supraconducteurs à haute température, des matériaux qui transportent un courant électrique sans résistance, fonctionnent à des températures froides inférieures à moins 135 degrés Celsius. Ils peuvent être utilisés pour fabriquer des câbles d'alimentation super efficaces, IRM médicales, accélérateurs de particules, et d'autres appareils. Percer le mystère du fonctionnement réel de ces matériaux pourrait conduire à des dispositifs supraconducteurs qui fonctionnent à température ambiante et pourraient révolutionner les appareils électriques, y compris les ordinateurs portables et les téléphones.

Dans un nouvel article de la revue Physique de la nature , les chercheurs de Caltech ont enfin résolu une pièce de ce puzzle persistant. Ils ont confirmé qu'une phase de transition de la matière appelée pseudogap, qui se produit avant que ces matériaux ne soient refroidis pour devenir supraconducteurs, représente un état distinct de la matière, avec des propriétés très différentes de celles de l'état supraconducteur lui-même.

Lorsque la matière passe d'un état, ou phase, à un autre - disons, l'eau se transforme en glace - il y a un changement dans l'ordre des particules des matériaux. Les physiciens avaient précédemment détecté des indices d'un certain type d'ordre des électrons à l'intérieur de l'état de pseudogap. Mais exactement comment ils s'ordonnaient – ​​et si cet ordre constituait un nouvel état de la matière – n'était pas clair jusqu'à présent.

"Une propriété particulière de tous ces supraconducteurs à haute température est que juste avant d'entrer dans l'état supraconducteur, ils entrent invariablement d'abord dans l'état de pseudogap, dont les origines sont tout aussi sinon plus mystérieuses que l'état supraconducteur lui-même, " dit David Hsieh, professeur de physique à Caltech et chercheur principal de la nouvelle recherche. "Nous avons découvert que dans l'état pseudogap, les électrons forment un motif très inhabituel qui brise presque toutes les symétries de l'espace. Cela fournit un indice très convaincant sur l'origine réelle de l'état de pseudogap et pourrait conduire à une nouvelle compréhension du fonctionnement des supraconducteurs à haute température. »

Le phénomène de la supraconductivité a été découvert pour la première fois en 1911. Lorsque certains matériaux sont refroidis à des températures très froides, aussi bas que quelques degrés au-dessus du zéro absolu (quelques degrés Kelvin), ils transportent du courant électrique sans résistance, afin qu'aucune chaleur ou énergie ne soit perdue. En revanche, nos ordinateurs portables ne sont pas faits de matériaux supraconducteurs et subissent donc une résistance électrique et chauffent.

Le refroidissement des matériaux à des températures aussi extrêmement basses nécessite de l'hélium liquide. Cependant, parce que l'hélium liquide est rare et cher, les physiciens ont recherché des matériaux capables de fonctionner comme des supraconducteurs à des températures de plus en plus élevées. Les supraconducteurs dits à haute température, découvert en 1986, sont maintenant connus pour fonctionner à des températures allant jusqu'à 138 Kelvin (moins 135 degrés Celsius) et peuvent donc être refroidis avec de l'azote liquide, qui est plus abordable que l'hélium liquide. La question qui a échappé aux physiciens, Cependant, malgré trois prix Nobel décernés à ce jour dans le domaine de la supraconductivité, c'est exactement comme cela que fonctionnent les supraconducteurs à haute température.

La danse des électrons supraconducteurs

Les matériaux deviennent supraconducteurs lorsque les électrons surmontent leur répulsion naturelle et forment des paires. Cet appariement peut se produire sous des températures extrêmement froides, permettant aux électrons, et les courants électriques qu'ils transportent, se déplacer sans encombre. Dans les supraconducteurs conventionnels, l'appariement des électrons est provoqué par des vibrations naturelles dans le réseau cristallin du matériau supraconducteur, qui agissent comme de la colle pour maintenir les paires ensemble.

Mais dans les supraconducteurs à haute température, cette forme de "colle" n'est pas assez forte pour lier les paires d'électrons. Les chercheurs pensent que le pseudogap, et comment les électrons s'ordonnent dans cette phase, détient des indices sur ce que cette colle peut constituer pour les supraconducteurs à haute température. Pour étudier l'ordre des électrons dans le pseudogap, Hsieh et son équipe ont inventé une nouvelle méthode laser appelée anisotropie rotationnelle optique non linéaire. Dans la méthode, un laser est pointé sur le matériau supraconducteur; dans ce cas, cristaux d'oxyde d'yttrium baryum cuivre (YBa2Cu3Oy). Une analyse de la lumière réfléchie à la moitié de la longueur d'onde par rapport à celle entrant révèle toute symétrie dans l'arrangement des électrons dans les cristaux.

Les symétries brisées indiquent une nouvelle phase

Les différentes phases de la matière ont des symétries distinctes. Par exemple, quand l'eau se transforme en glace, les physiciens disent que la symétrie a été "brisée".

"Dans l'eau, " Hsieh explique, "les molécules d'H2O sont orientées assez aléatoirement. Si vous nageiez dans un bassin d'eau infini, votre environnement est le même où que vous soyez. Dans la glace, d'autre part, les molécules H2O forment un réseau périodique régulier, donc si vous vous imaginez immergé dans un bloc de glace infini, votre environnement semble différent selon que vous êtes assis sur un atome H ou O. Par conséquent, nous disons que la symétrie translationnelle de l'espace est brisée en passant de l'eau à la glace."

Avec le nouvel outil, L'équipe de Hsieh a pu montrer que les électrons refroidis jusqu'à la phase de pseudogap brisaient un ensemble spécifique de symétries spatiales appelées inversion et symétrie de rotation. "Dès que le système est entré dans la région de pseudogap, soit en fonction de la température ou de la quantité d'oxygène dans le composé, il y avait une perte d'inversion et de symétries de rotation, indiquant clairement une transition vers une nouvelle phase de la matière, " dit Liuyan Zhao, chercheur postdoctoral au laboratoire Hsieh et auteur principal de la nouvelle étude. "C'est excitant que nous utilisions une nouvelle technologie pour résoudre un vieux problème."

"La découverte de l'inversion brisée et des symétries de rotation dans le pseudogap réduit considérablement l'ensemble des possibilités de la façon dont les électrons s'auto-organisent dans cette phase, " dit Hsieh. " D'une certaine manière, cette phase inhabituelle peut s'avérer être l'aspect le plus intéressant de ces matériaux supraconducteurs."

Avec une pièce du puzzle résolue, les chercheurs passent au suivant. Ils veulent savoir quel rôle cet ordre des électrons dans le pseudogap joue dans l'induction de la supraconductivité à haute température et comment y parvenir à des températures encore plus élevées.