Jusqu'à il y a environ 50 ans, tous les supraconducteurs connus étaient des métaux. Cela avait du sens, parce que les métaux ont le plus grand nombre d'électrons « porteurs » lâchement liés qui sont libres de s'apparier et de circuler sous forme de courant électrique sans résistance et avec une efficacité de 100 % - la marque de fabrique de la supraconductivité.

Puis un étrange est arrivé – le titanate de strontium, le premier matériau d'oxyde et le premier semi-conducteur se sont révélés supraconducteurs. Même s'il ne correspond pas au profil classique d'un supraconducteur - il a très peu d'électrons libres de circuler - il devient supraconducteur lorsque les conditions sont réunies, bien que personne ne puisse expliquer pourquoi.

Les scientifiques ont maintenant sondé le comportement supraconducteur de ses électrons en détail pour la première fois. Ils ont découvert que c'était encore plus étrange qu'ils ne le pensaient. C'est pourtant une bonne nouvelle, ils ont dit, car cela leur donne un nouvel angle de réflexion sur ce qu'on appelle la supraconductivité "à haute température", un phénomène qui pourrait être exploité pour une future génération de lignes électriques parfaitement efficaces, trains en lévitation et autres technologies révolutionnaires.

L'équipe de recherche, dirigé par des scientifiques du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie et de l'Université de Stanford, ont décrit leur étude dans un article publié le 30 janvier dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .

"Si les supraconducteurs métalliques conventionnels sont à une extrémité d'un spectre, le titanate de strontium est tout en bas à l'autre extrémité. Il a la plus faible densité d'électrons disponibles de tous les supraconducteurs connus, " a déclaré Adrian Swartz, un chercheur postdoctoral au Stanford Institute for Materials and Energy Science (SIMES) qui a dirigé la partie expérimentale de la recherche avec Hisashi Inoue, un étudiant diplômé de Stanford à l'époque.

"C'est l'un des nombreux matériaux que nous appelons supraconducteurs "non conventionnels" car ils ne peuvent pas être expliqués par les théories actuelles, " dit Swartz. " En étudiant son comportement extrême, nous espérons mieux comprendre les ingrédients qui conduisent à la supraconductivité dans ces matériaux non conventionnels, y compris ceux qui fonctionnent à des températures plus élevées."

Théories du duel

Selon la théorie largement acceptée connue sous le nom de BCS pour les initiales de ses inventeurs, la supraconductivité conventionnelle est déclenchée par des vibrations naturelles qui se propagent à travers le réseau atomique d'un matériau. Les vibrations provoquent l'appariement des électrons porteurs et leur condensation en un superfluide, qui traverse le matériau sans résistance - un courant électrique efficace à 100 %. Sur cette photo, le matériau supraconducteur idéal contient une haute densité d'électrons rapides, et même des vibrations de réseau relativement faibles suffisent à coller des paires d'électrons ensemble.

Mais en dehors de la théorie, dans le domaine des supraconducteurs non conventionnels, personne ne sait ce qui colle les paires d'électrons ensemble, et aucune des théories concurrentes ne prévaut.

Pour trouver des indices sur ce qui se passe à l'intérieur du titanate de strontium, les scientifiques ont dû trouver comment appliquer un outil important pour étudier le comportement supraconducteur, connue sous le nom de spectroscopie tunnel, à ce matériau. Cela a pris plusieurs années, dit Harold Hwang, professeur au SLAC et à Stanford et chercheur au SIMES.

"L'envie de faire cette expérience est là depuis des décennies, mais ça a été un défi technique, " dit-il. " C'est, Pour autant que je sache, le premier ensemble complet de données provenant d'une expérience de tunneling sur ce matériau." Entre autres choses, l'équipe a pu observer la réaction du matériel au dopage, un processus couramment utilisé où des électrons sont ajoutés à un matériau pour améliorer ses performances électroniques.

"Tout est à l'envers"

Les mesures d'effet tunnel ont révélé que le titanate de strontium est l'exact opposé de ce que l'on attend d'un supraconducteur :ses vibrations de réseau sont fortes et ses électrons porteurs sont peu nombreux et lents.

"C'est un système où tout est à l'envers, " dit Hwang.

D'autre part, des détails tels que le comportement et la densité de ses électrons et l'énergie nécessaire pour former l'état supraconducteur correspondent presque exactement à ce que vous attendez de la théorie BCS conventionnelle, dit Swartz.

"Ainsi, le titanate de strontium semble être un supraconducteur non conventionnel qui agit comme un supraconducteur conventionnel à certains égards, " dit-il. " C'est une sacrée énigme, et une surprise pour nous. Nous avons découvert quelque chose de plus déroutant que nous ne le pensions à l'origine, qui d'un point de vue de la physique fondamentale est plus profond."

Il ajouta, "Si nous pouvons améliorer notre compréhension de la supraconductivité dans cet ensemble de circonstances déroutant, nous pourrions potentiellement apprendre à récolter les ingrédients pour réaliser la supraconductivité à des températures plus élevées. »

L'étape suivante, Swartz a dit, est d'utiliser la spectroscopie tunnel pour tester un certain nombre de prédictions théoriques sur les raisons pour lesquelles le titanate de strontium agit comme il le fait.