Les performances parfaites des supraconducteurs pourraient tout révolutionner, de l'infrastructure électrique à l'échelle du réseau à l'électronique grand public, si seulement ils pouvaient être contraints de fonctionner au-dessus de températures glaciales. Même les supraconducteurs à haute température (HTS) doivent être refroidis à des centaines de degrés Fahrenheit en dessous de zéro.

Maintenant, des scientifiques du Laboratoire national de Brookhaven du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) et de l'Université de Yale ont découvert de nouvelles, comportement surprenant des électrons dans un matériau HTS. Les résultats, publié le 27 juillet dans la revue La nature , décrivent le flux d'électrons à rupture de symétrie à travers des supraconducteurs à base d'oxyde de cuivre (cuprate). Le comportement peut être lié au mécanisme toujours insaisissable derrière HTS.

"Notre découverte remet en question une pierre angulaire de la physique de la matière condensée, ", a déclaré l'auteur principal et physicien du Brookhaven Lab, Jie Wu. "Ces électrons semblent "choisir" spontanément leur propre chemin à travers le matériau, un phénomène en opposition directe avec les attentes."

Électrons hors route

Dans les métaux simples, les électrons se déplacent uniformément et sans préférence directionnelle - pensez à un liquide s'étalant sur une surface. Les matériaux HTS de cette étude sont stratifiés avec une symétrie de rotation quadruple de la structure cristalline. Le courant électrique devrait circuler uniformément parallèlement à ces couches, mais ce n'est pas ce que le groupe de Brookhaven a observé.

"Je viens du Midwest, où des kilomètres de terres agricoles séparent les villes, " a déclaré Anthony Bollinger, physicien et coauteur de l'étude de Brookhaven. " Les routes de campagne entre les villes sont en grande partie disposées comme une grille allant du nord au sud et d'est en ouest. Vous vous attendez à ce que les voitures suivent la grille, qui est fait sur mesure pour eux. Cette rupture de symétrie, c'est comme si tout le monde décidait de quitter les routes goudronnées et de traverser directement les champs des agriculteurs."

Dans une autre tournure, la tension de rupture de symétrie a persisté jusqu'à la température ambiante et dans toute la gamme de compositions chimiques examinées par les scientifiques.

"Les électrons coordonnent en quelque sorte leur mouvement à travers le matériau, même après la défaillance de la supraconductivité, " dit Wu.

De fortes interactions électron-électron peuvent aider à expliquer la direction préférentielle du flux de courant. À son tour, ces bizarreries électroniques intrinsèques peuvent partager une relation avec les phénomènes HTS et offrir un indice pour décoder son mécanisme inconnu.

A la recherche de la perfection atomique

Contrairement à la supraconductivité classique bien comprise, HTS a intrigué les scientifiques pendant plus de trois décennies. Maintenant, les techniques avancées offrent des perspectives sans précédent.

"La partie la plus difficile de tout le travail - et ce qui nous aide à nous démarquer - a été la synthèse méticuleuse des matériaux, ", a déclaré le co-auteur de l'étude Xi He.

Ce travail faisait partie d'un projet plus vaste qui a duré 12 ans et englobait la synthèse et l'étude de plus de 2, 000 films de supraconducteurs en oxyde de lanthane-strontium-cuivre.

« Cette échelle de recherche est bien adaptée à un environnement de laboratoire national, " a déclaré Ivan Bozovic, qui dirige le groupe Brookhaven derrière l'effort.

Ils utilisent une technique appelée épitaxie par faisceau moléculaire (MBE) pour assembler des oxydes complexes une couche atomique à la fois. Pour assurer la perfection structurelle, les scientifiques caractérisent les matériaux en temps réel par diffraction électronique, où un faisceau d'électrons frappe l'échantillon et des détecteurs sensibles mesurent précisément comment il se diffuse.

"Le matériau lui-même est notre fondement, et il doit être le plus irréprochable possible pour garantir que les propriétés observées sont intrinsèques, " dit Bozovic. " De plus, grâce à notre synthèse « numérique », nous concevons les films au niveau de la couche atomique, et les optimiser pour différentes études."

Nager à contre-courant

Le premier résultat majeur de cette étude approfondie du groupe MBE à Brookhaven a été publié dans La nature l'année dernière. Il a démontré que l'état supraconducteur dans les matériaux à base d'oxyde de cuivre est assez inhabituel, remettre en cause la compréhension standard.

Cette découverte suggérait que l'état métallique dit "normal", qui se forme au-dessus du seuil de température critique auquel la supraconductivité s'effondre, peut aussi être extraordinaire. En regardant attentivement, les scientifiques ont observé qu'à mesure que le courant externe traversait les échantillons, une tension spontanée a émergé de façon inattendue perpendiculairement à ce courant.

"Nous avons observé pour la première fois cette tension bizarre il y a plus d'une décennie, mais nous et d'autres avons considéré cela comme une sorte d'erreur, " Bollinger a dit. " Mais ensuite il est apparu à nouveau, et encore, et encore - dans des conditions de plus en plus contrôlées - et nous avons manqué de moyens pour l'expliquer. Quand nous avons enfin plongé, les résultats ont dépassé nos attentes."

Pour cerner l'origine du phénomène, les scientifiques ont fabriqué et mesuré des milliers de dispositifs modelés à partir des films HTS. Ils ont étudié comment cette tension spontanée dépend du sens du courant, Température, et la composition chimique (le niveau de dopage par le strontium, qui contrôle la densité électronique). Ils ont également varié le type et la structure cristalline des substrats sur lesquels les films HTS sont développés, et même comment les substrats sont polis.

Ces études méticuleuses ont montré hors de tout doute que l'effet est intrinsèque au matériau HTS lui-même, et que son origine est purement électronique.

Au niveau moléculaire, les liquides courants se ressemblent dans toutes les directions. Certains, cependant, sont constitués de molécules en forme de bâtonnets, qui ont tendance à s'aligner dans une direction préférée. Ces matériaux sont appelés cristaux liquides, ils polarisent la lumière et sont largement utilisés dans les écrans. Alors que les électrons dans les métaux communs se comportent comme un liquide, dans les cuprates, ils se comportent comme un cristal liquide électronique.

"Nous devons comprendre comment ce comportement des électrons s'intègre dans le puzzle HTS dans son ensemble, " Il a dit. " Cette étude nous donne de nouvelles idées à poursuivre et des moyens d'aborder ce qui pourrait être le plus grand mystère de la physique de la matière condensée. Je suis impatient de voir où cette recherche nous mène. »