Des scientifiques du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie et de l'Université de Stanford ont montré que les supraconducteurs à base de cuivre, ou les cuprates – la première classe de matériaux capables de transporter l'électricité sans perte à des températures relativement élevées – contiennent des bandes fluctuantes de charge électronique et de spin qui serpentent comme des ruisseaux sur un sol accidenté.

Les bandes sont des zones où les électrons s'accumulent, créer des bandes de charge négative, ou aligner leurs spins pour créer des bandes de magnétisme. On savait auparavant qu'ils existaient dans les supraconducteurs cuprates à des températures proches du zéro absolu, bien que dans ce froid profond les rayures ne se soient pas déplacées et leur rôle exact dans la supraconductivité - l'amplifient-elles ou l'étouffent-elles ? - n'a pas été clair.

Maintenant, les chercheurs ont démontré informatiquement pour la première fois que ces rayures existent également à haute température, mais ils sont subtils et fluctuent d'une manière qui ne pouvait être découverte que par des simulations numériques sur ordinateur d'une précision et d'une échelle jamais réalisées auparavant. Les scientifiques ont décrit leur étude dans Science aujourd'hui.

"Il y a des raisons de penser que les bandes de charge et de spin peuvent être intimement liées à l'émergence de la supraconductivité à haute température dans ces matériaux, qui a été découvert il y a 30 ans mais n'est pas encore compris ou expliqué, " a déclaré Edwin Huang, un étudiant diplômé en physique à Stanford et au Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) au SLAC.

"Cette découverte de bandes fluctuantes dans un modèle informatique réaliste nous donnera un moyen de tester les nombreuses théories sur la façon dont les bandes sont liées à la supraconductivité, " Huang a déclaré. "Nous pensons que nos résultats seront utiles pour les scientifiques faisant des études expérimentales de ces matériaux, et ils aideront également à développer et à affiner les techniques de calcul qui vont de pair avec la théorie et les expériences pour faire avancer le domaine. »

Les résultats s'appliquent également à d'autres nouveaux matériaux, a déclaré Thomas Devereaux, directeur du SIMES. "Les matériaux qui développent spontanément ce genre de structure non uniforme sont assez courants, y compris les aimants et les ferroélectriques, " a-t-il dit. " Cela peut même être considéré comme une signature de matériaux " quantiques ", dont les propriétés surprenantes sont produites par des électrons qui coopèrent de manière inattendue. Nos résultats numériques démontrent que ce phénomène peut généralement être lié à de fortes interactions entre les charges électroniques et le spin."

Un phénomène mystérieux

Dans les conducteurs électriques conventionnels, le courant est transmis par des électrons agissant individuellement. Mais dans les supraconducteurs, les électrons s'apparient pour transmettre le courant sans pratiquement aucune perte.

Pendant 75 ans après leur découverte, tous les supraconducteurs connus ne fonctionnaient qu'à des températures proches du zéro absolu, limitant la manière dont ils pourraient être utilisés.

Cela a changé en 1986, lorsque les scientifiques ont découvert que les cuprates pouvaient supraconducteurs à des températures beaucoup plus élevées (bien que toujours assez froides). En réalité, certains composés cuprates sont supraconducteurs à des températures supérieures à 100 kelvins, ou moins 173 degrés Celsius, permettant le développement de technologies supraconductrices pouvant être refroidies à l'azote liquide.

Mais les chercheurs sont encore loin de leur objectif de trouver des supraconducteurs fonctionnant à température proche de la pièce pour des lignes électriques à haut rendement, trains maglev et d'autres applications qui pourraient avoir un impact profond sur la société. Sans une compréhension fondamentale du fonctionnement des supraconducteurs à haute température, les progrès ont été lents.

La modélisation informatique est un outil essentiel pour parvenir à cette compréhension. Les modèles sont des ensembles d'équations mathématiques basées sur la physique que les théoriciens créent et affinent continuellement pour simuler le comportement d'un matériau à l'aide d'algorithmes informatiques. Ils comparent leurs modèles aux observations et aux résultats expérimentaux pour s'assurer qu'ils sont sur la bonne voie.

Dans ce cas, l'équipe a modélisé le comportement et les interactions des électrons dans l'une des couches d'oxyde de cuivre d'un cuprate, c'est là que la physique intéressante se produit, a déclaré Brian Moritz, scientifique du personnel du SIMES. Les calculs ont été effectués sur le cluster de superordinateurs Sherlock de Stanford au SLAC et au Centre national de calcul scientifique de la recherche énergétique du DOE à Berkeley.

Les résultats étaient en bon accord avec les données d'expériences de diffusion de neutrons sur une variété de cuprates, les scientifiques ont dit, confirmant que leurs simulations capturent avec précision la physique électronique de ces matériaux.

Un modèle plus précis

C'est la première fois que le comportement à haute température des cuprates est simulé avec un modèle réaliste qui couvre une surface suffisamment grande du matériau pour voir des rayures fluctuantes, dit Huang. Cette plus grande échelle rend également les calculs plus précis.

"Il y avait un bon équilibre que nous devions trouver, ", a-t-il déclaré. "Ce sont des calculs extrêmement exigeants en termes de calcul. Mais si vous simulez le comportement de zones plus petites, vous ne pourrez pas voir les rayures qui émergent. C'était la principale limite des études précédentes."

Les simulations montrent que les rayures émergent à des températures allant jusqu'à 600 degrés Celsius et dans une large gamme de conditions de dopage, où des composés sont ajoutés à un matériau pour modifier son comportement électronique, et donc ils semblent être un trait universel des supraconducteurs cuprates, les chercheurs ont dit.

"L'idée qu'il y a des rayures fluctuantes dans les cuprates n'est pas nouvelle, mais c'est un sujet controversé depuis de nombreuses années, ", a déclaré Huang. "Ce qui est nouveau ici, c'est que nous pouvons soutenir leur existence en utilisant des calculs impartiaux sur un modèle réaliste de ces matériaux."

Une chose que l'étude ne fait pas, il ajouta, est de répondre à la question de savoir si ou comment les bandes fluctuantes font partie de la supraconductivité :"C'est la direction vers laquelle nous voulons nous diriger."