Imaginez des téléphones et des ordinateurs portables qui ne chauffent jamais ou des réseaux électriques qui ne perdent jamais d'énergie. C'est le rêve des scientifiques travaillant avec des supraconducteurs dits à haute température, qui peut transporter sans effort des courants électriques sans résistance. Les premiers matériaux supraconducteurs à haute température, appelés cuprates, ont été découverts dans les années 1980 et feront plus tard l'objet d'un prix Nobel. Le terme « haute température » ​​est relatif :ces matériaux fonctionnent à des températures glaciales allant jusqu'à moins 135 degrés Celsius, un peu plus haut que leurs homologues traditionnels, qui fonctionnent à des températures encore plus froides proches du zéro absolu (moins 273 degrés Celsius).

Malgré le fait que les supraconducteurs à haute température aient été découverts il y a trois décennies, les chercheurs se demandent encore comment fonctionnent les matériaux. Les scientifiques savent que la réponse est liée au fait que les électrons se collent par paires, comme collés ensemble, mais la nature de la "colle" électronique qui les lie est inconnue. Localiser la colle pourrait finalement conduire à la création de matériaux supraconducteurs à température ambiante et ouvrir la voie à des ordinateurs économes en énergie et à une foule d'autres innovations, comme les trains en lévitation.

Grenat Chan de Caltech, Professeur Bren de chimie, tente de résoudre le problème avec une approche légèrement différente :la chimie quantique. Lui et ses collègues développent des simulations numériques qui, en utilisant les équations de la mécanique quantique, cartographier les mouvements fluides des électrons dans divers matériaux. Dans un nouvel article de la revue Science , ils ont montré que les matériaux supraconducteurs à haute température s'ordonnent eux-mêmes en un motif rayé de charges - ce que Chan et ses collègues appellent des "rivières de charge" - juste avant de devenir supraconducteurs. En réalisant des simulations numériques d'une précision incroyable, Chan et ses collaborateurs ont pu écarter tous les autres modèles d'accusations candidats en faveur de l'État rayé.

Ils ont en outre examiné ce qui se passe lorsque les rayures sont serrées ensemble, un scénario susceptible de se produire à partir des fluctuations naturelles des modèles, et a découvert que les électrons s'appariaient spontanément. En d'autres termes, les rivières de charge sont étroitement liées à la colle électronique tant recherchée. Cette découverte constitue un indice important dans la course pour résoudre le problème de la supraconductivité à haute température.

"J'aime les problèmes auxquels les gens se sont cognés la tête pendant des décennies, et je pense que de nombreux scientifiques conviendraient que la supraconductivité à haute température est probablement l'un des phénomènes les plus déroutants observés dans les matériaux, " dit Chan. " Bien que la possibilité d'un comportement rayé ait été évoquée précédemment, ce n'était qu'un modèle parmi une multitude de candidats concurrents. Par ailleurs, les gens n'avaient aucune idée si de telles bandes étaient bonnes pour la supraconductivité ou en fait tuaient l'état supraconducteur. Nos résultats montrent non seulement que les rayures sont réelles, mais qu'elles ont un lien intime avec l'apparition de la supraconductivité."

Dans la nouvelle étude, Chan et ses collaborateurs de plusieurs institutions ont utilisé quatre types de méthodes numériques très différents pour simuler des matériaux supraconducteurs à haute température. En général, les scientifiques décrivent ces matériaux à l'aide du modèle Hubbard, un modèle mathématique développé dans les années 1960 qui explique le comportement électronique de nombreux matériaux, en particulier ceux présentant une supraconductivité à haute température. Bien que les équations du modèle Hubbard soient relativement simples, les résoudre pour le comportement des électrons nécessite une puissance de calcul. C'est là que les nouvelles méthodes numériques ont aidé :elles ont prédit comment les électrons sont organisés dans les matériaux avec une précision améliorée, et ils ont montré que les charges s'organisent spontanément en motifs rayés.

"Nous avons fourni une solution numérique définitive à l'un des modèles les plus importants de la physique de la matière condensée, qui a de fortes connexions avec la supraconductivité à haute température, " dit Bo-Xiao Zheng, auteur principal de l'étude et ancien doctorant à Caltech et Princeton. "Quoi de plus, nous avons utilisé quatre simulations numériques indépendantes pour arriver à la même conclusion, un recoupement nécessaire étant donné les comportements complexes possibles dans ces matériaux."

"Cela met en place une pièce importante du puzzle du fonctionnement des supraconducteurs à haute température, " dit Chan. " A son tour, cela donne l'optimisme qu'une compréhension complète sera un jour possible."