Diagramme de diffraction électronique d'un quasicristal Al-Zn-Mg avec un dodécaèdre formant un amas de type Bergman. Crédit :Keiichiro Imura, Noriaki K. Sato, et Tsutomu Ishimasa
Des choses extraordinaires se produisent à basse température. L'un des meilleurs exemples est la supraconductivité, un phénomène dans lequel la résistance électrique d'un solide tombe à zéro en dessous d'une température critique. Connu depuis un siècle, la supraconductivité a maintenant des applications dans la science et l'industrie. Les étudiants en physique et chimie peuvent même fabriquer leurs propres aimants en lévitation à partir d'alliages supraconducteurs.
La plupart des supraconducteurs, comme la plupart des solides, sont cristallins, avec des structures atomiques construites à partir de cellules qui se répètent périodiquement. Depuis les années 1980, une forme alternative de solide, le quasicristal (QC), est devenu prépondérant. Bien que les QC aient une symétrie, comme des cristaux, ils n'ont pas d'unités répétées. Ce manque de périodicité se traduit par des structures électroniques inhabituelles. Maintenant, dans une étude en Communication Nature , une équipe de recherche dirigée par l'Université de Nagoya a découvert pour la première fois la supraconductivité dans un QC.
L'équipe a étudié un alliage d'aluminium, zinc et magnésium. La version cristalline est connue pour être supraconductrice. Cependant, la structure de Al-Zn-Mg dépend du rapport des trois éléments. L'équipe a découvert que l'Al avait un effet crucial sur les propriétés de l'alliage. Comme le note le premier auteur de l'étude, Keisuke Kamiya, « Quand nous avons réduit la teneur en Al tout en maintenant la teneur en Mg presque constante, la température critique pour la supraconductivité a d'abord diminué progressivement de ~0,8 à ~0,2 K. Cependant, à 15% Al, deux choses se sont passées :l'alliage s'est transformé en quasi-cristal, et la température critique a chuté à ~ 0,05 K."
Cette température critique extrêmement basse, juste 1/20 de degré au-dessus du zéro absolu, explique pourquoi la supraconductivité dans les QC s'est avérée si difficile à atteindre. Néanmoins, l'alliage QC a montré deux caractéristiques archétypales des supraconducteurs :un saut de chaleur spécifique à la température critique, et l'exclusion presque totale du flux magnétique de l'intérieur, connu sous le nom d'effet Meissner.
Dépendance à la température du rapport de résistance, magnétisation, et la chaleur spécifique divisée par la température au voisinage de la température de transition supraconductrice indiquée par la ligne brisée verticale. Crédit :Keiichiro Imura, Noriaki K. Sato, et Tsutomu Ishimasa
La supraconduction dans les cristaux conventionnels est maintenant bien comprise. A température suffisamment basse, les électrons chargés négativement surmontent leur répulsion mutuelle et s'attirent, faire équipe par paires. Ces "paires de Cooper" fusionnent en un condensat de Bose-Einstein, un état quantique de la matière avec une résistance électrique nulle. Cependant, l'attraction entre les électrons repose sur leur interaction avec le réseau solide, et la théorie conventionnelle suppose qu'il s'agit d'un cristal périodique, plutôt qu'un QC.
Pour l'origine de la supraconduction dans l'alliage QC, l'équipe a envisagé trois possibilités. Le plus exotique était les « états propres critiques » :les états électroniques spéciaux ne se trouvaient qu'à proximité du zéro absolu. Les états propres électroniques sont étendus dans des cristaux, et localisée dans des solides aléatoires, mais l'étendue spatiale des états propres critiques dans les QC - qui ne sont ni périodiques ni aléatoires - n'est pas claire. Cependant, l'équipe les a exclus sur la base de leurs mesures. Cela a conduit à des paires de Cooper, dans la variété étendue ou la variété "à couplage faible" moins courante. En réalité, l'alliage ressemblait étroitement à un supraconducteur à couplage faible typique.
"Il est intéressant de noter que la supraconductivité de cet alliage n'était pas liée à sa quasi-cristallinité, mais ressemblait à celui des cristaux dits sales, " dit l'auteur correspondant Noriaki K. Sato. " Cependant, la théorie des quasicristaux prédit également une autre forme de supraconduction, basé sur la géométrie fractale dans QCs. Nous pensons qu'il y a une forte possibilité que la supraconductivité fractale apporte au moins une certaine contribution, et nous serions ravis de pouvoir enfin le mesurer."
L'article, "Découverte de la supraconductivité en quasicristal, " a été publié dans Communication Nature .
