Découvert par hasard il y a plus d'un siècle, le phénomène de la supraconductivité a inspiré une révolution technologique. En 1911, en étudiant le comportement du mercure solide surfondu à 4 K (-269 °C), Le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) a observé pour la première fois que certains matériaux conduisent l'électricité sans résistance ni pertes à des températures voisines du zéro absolu.

L'intérêt a repris dans les années 1980 lorsque la supraconductivité a été observée expérimentalement à des températures beaucoup plus élevées, de l'ordre de 90 K (-183 °C). Ce record a ensuite été dépassé, et les scientifiques recherchent maintenant la supraconductivité à température ambiante.

Cette information fournit le contexte d'une étude récemment menée par le Solid State Physics Group de l'Université d'État de São Paulo (UNESP) à Rio Claro, Brésil. Le chercheur principal était Valdeci Pereira Mariano de Souza. En plus des autres chercheurs affiliés à l'UNESP, l'équipe comprenait des scientifiques de l'Université Paris Sud (Orsay) en France.

À Rio Claro, l'équipe de recherche a utilisé du matériel acheté avec le soutien de la Fondation pour la recherche de São Paulo - FAPESP pour obtenir les résultats, qui a servi de base à un article publié dans Examen physique B .

« En plusieurs matériaux, la phase supraconductrice se manifeste à proximité de ce qu'on appelle la phase isolante de Mott. La transition métal-isolant de Mott est un changement soudain de conductivité électrique qui se produit à une température donnée lorsque la répulsion de Coulomb entre les électrons devient comparable à l'énergie cinétique des électrons libres, " dit Mariano.

"Quand la répulsion de Coulomb devient pertinente, les électrons qui étaient itinérants se localisent, et cela minimise l'énergie totale du système. Cette localisation électronique est la phase isolante de Mott. Dans certains cas, un processus encore plus exotique se déroule. En raison des interactions entre les électrons occupant des sites voisins dans le réseau, les électrons se réarrangent dans le réseau de manière non homogène, et une soi-disant « phase de commande de charge » se produit. Notre étude a abordé ce genre de phénomène.

Lorsque la phase de commande de charge se produit, la distribution de charges non homogène, qui s'accompagne parfois d'une distorsion du réseau cristallin, rend le matériau polarisé électriquement, et comme résultat, il se comporte comme un matériau ferroélectrique. Cette étape est connue sous le nom de "phase ferroélectrique de Mott-Hubbard" d'après deux physiciens britanniques qui ont étudié le sujet :Nevill Mott (1905-96), 1977 lauréat du prix Nobel de physique, et John Hubbard (1931-80).

Pour explorer expérimentalement ces phases exotiques, les chercheurs de l'UNESP ont choisi un matériau appelé sels de Fabre, qui sont formés à partir d'une molécule organique, tétraméthyltétrathiafulvalène (TMTTF), avec une configuration symétrique comprenant une double liaison carbonée centrale et deux radicaux méthyle de chaque côté. Ils ont utilisé un cryostat, également acquis avec le soutien de la FAPESP, d'atteindre le point le plus froid et le plus magnétique disponible à l'UNESP, avec une température de 1,4 K et un champ de 12 Tesla.

"Avec ce dispositif expérimental, nous n'avons pas seulement cherché à caractériser les matériaux, bien que ce soit important, mais d'étudier les propriétés fondamentales de la matière qui se manifestent dans des conditions extrêmes, " dit Mariano. " Les sels de Fabre ont des diagrammes de phases extrêmement riches pour ceux qui entreprennent ce genre de recherche. Les systèmes moléculaires concernés avaient déjà été explorés par imagerie par résonance magnétique nucléaire, spectroscopie infrarouge et autres techniques. Ce que nous avons essentiellement fait, c'est mesurer leurs constantes diélectriques dans le régime basse fréquence."

Il convient de rappeler que la constante diélectrique varie d'un matériau à l'autre et, alors qu'il s'agit d'une quantité macroscopique, il nous indique à quel point un matériau est polarisable.

"Étant donné que les sels de Fabre sont hautement anisotropes et ont donc des propriétés de transport fortement dépendantes de la direction cristallographique, lorsque la commande de charge se produit, nous observons une polarisation électrique de Mott-Hubbard dans tout l'empilement TMTTF. Cette polarisation est considérable et a été rapportée dans la littérature en 2001, " a déclaré le chercheur soutenu par la FAPESP.

"La contribution ionique à la constante diélectrique de ces matériaux a été mesurée pour la première fois dans cette étude. Nous avons constaté que lorsque la température diminue, la contribution ionique diminue également, ce qui donne lieu à la phase de Mott-Hubbard. Il s'agit d'une nouvelle observation qui n'avait pas encore été rapportée dans la littérature - une contribution véritablement originale de la nôtre. Nous avons également exploré en détail l'effet du trouble induit par l'irradiation dans la phase de Mott-Hubbard."

C'est important, il ajouta, en raison de la proximité de la phase ferroélectrique de Mott-Hubbard avec la supraconductivité.

"William Petit, Professeur émérite de physique à l'Université de Stanford, a déclaré que les conducteurs moléculaires de faible dimension seraient des candidats pour obtenir une supraconductivité à température ambiante. Dans son travail, Little a proposé que la supraconductivité à température ambiante soit obtenue au moyen d'"épines", ou des chaînes conductrices avec des chaînes latérales hautement polarisables. Les matériaux que nous étudions contiennent précisément ces éléments, " dit Mariano.

La production d'épines était une première étape. L'étape suivante, qui a déjà été conçu par les chercheurs de Rio Claro, est de solliciter les sels de Fabre pour induire la supraconductivité dans la phase ferroélectrique de Mott-Hubbard.