Des chercheurs du nord-est ont utilisé un modèle informatique puissant pour sonder une classe déroutante de matériaux à base de cuivre pouvant être transformés en supraconducteurs. Leurs découvertes offrent des indices alléchants sur un mystère vieux de plusieurs décennies, et un pas en avant pour l'informatique quantique.

La capacité d'un matériau à laisser passer l'électricité vient de la manière dont les électrons sont disposés au sein de leurs atomes. En fonction de ces dispositions, ou des configurations, tous les matériaux là-bas sont soit des isolants, soit des conducteurs d'électricité.

Mais cuprates, une classe de matériaux mystérieux qui sont fabriqués à partir d'oxydes de cuivre, sont réputés dans la communauté scientifique pour avoir en quelque sorte un problème d'identité qui peut en faire à la fois des isolants et des conducteurs.

Sous des conditions normales, les cuprates sont des isolants :des matériaux qui inhibent le flux d'électrons. Mais avec des ajustements à leur composition, ils peuvent se transformer en les meilleurs supraconducteurs du monde.

La découverte de ce type de supraconductivité en 1986 a valu à ses découvreurs un prix Nobel en 1987, et fasciné la communauté scientifique avec un monde de possibilités d'amélioration de la superinformatique et d'autres technologies cruciales.

Mais avec fascination sont venues 30 années de perplexité :les scientifiques n'ont pas été en mesure de déchiffrer complètement l'arrangement des électrons qui code pour la supraconductivité dans les cuprates.

Cartographier la configuration électronique de ces matériaux est sans doute l'un des défis les plus difficiles de la physique théorique, dit Arun Bansil, Professeur émérite de physique à Northeastern. Et, il dit, parce que la supraconductivité est un phénomène étrange qui ne se produit qu'à des températures aussi basses que -300 F (ou à peu près aussi froides que sur Uranus), comprendre les mécanismes qui le rendent possible en premier lieu pourrait aider les chercheurs à fabriquer des supraconducteurs qui fonctionnent à température ambiante.

Maintenant, une équipe de chercheurs qui comprend Bansil et Robert Markiewicz, professeur de physique à Northeastern, présente une nouvelle façon de modéliser ces étranges mécanismes qui conduisent à la supraconductivité dans les cuprates.

Dans une étude publiée dans Actes de l'Académie nationale des sciences , l'équipe a prédit avec précision le comportement des électrons lorsqu'ils se déplacent pour permettre la supraconductivité dans un groupe de cuprates connus sous le nom d'oxydes de cuivre et d'yttrium et de baryum.

Dans ces cuprates, l'étude constate, la supraconductivité émerge de nombreux types de configurations électroniques. Un énorme 26 d'entre eux, Pour être précis.

« Au cours de cette phase de transition, le matériau deviendra essentiellement une sorte de soupe de différentes phases, " dit Bansil. " Les personnalités divisées de ces merveilleux matériaux sont maintenant révélées pour la première fois. "

La physique des supraconducteurs cuprates est intrinsèquement étrange. Markiewicz considère cette complexité comme le mythe indien classique des aveugles et de l'éléphant, ce qui est une blague depuis des décennies parmi les physiciens théoriciens qui étudient les cuprates.

Selon le mythe, des aveugles rencontrent un éléphant pour la première fois, et essayez de comprendre ce qu'est l'animal en le touchant. Mais parce que chacun d'eux ne touche qu'une partie de son corps :le tronc, queue, ou les jambes, par exemple, ils ont tous un concept différent (et limité) de ce qu'est un éléphant.

"Au début, nous avons tous regardé [les cuprates] de différentes manières, " dit Markiewicz. " Mais nous le savions, tôt ou tard, la bonne façon allait se manifester."

Les mécanismes derrière les cuprates pourraient également aider à expliquer la physique déroutante derrière d'autres matériaux qui se transforment en supraconducteurs à des températures extrêmes, Markiewicz dit, et révolutionner la façon dont ils peuvent être utilisés pour permettre l'informatique quantique et d'autres technologies qui traitent les données à des vitesses ultra-rapides.

"Nous essayons de comprendre comment ils se réunissent dans les vrais cuprates qui sont utilisés dans les expériences, " dit Markiewicz.

Le défi de la modélisation des supraconducteurs cuprate se résume au domaine étrange de la mécanique quantique, qui étudie le comportement et le mouvement des plus petits morceaux de matière et les étranges règles physiques qui régissent tout à l'échelle des atomes.

Dans n'importe quel matériau, disons, le métal de votre smartphone - les électrons contenus dans l'espace d'un doigt peuvent équivaloir au numéro un suivi de 22 zéros, dit Bansil. La modélisation de la physique d'un si grand nombre d'électrons a été extrêmement difficile depuis la naissance du domaine de la mécanique quantique.

Bansil aime penser à cette complexité comme à des papillons à l'intérieur d'un bocal volant rapidement et intelligemment pour éviter d'entrer en collision les uns avec les autres. Dans un matériau conducteur, les électrons se déplacent également. Et à cause d'une combinaison de forces physiques, ils s'évitent aussi. Ces caractéristiques sont au cœur de ce qui rend difficile la modélisation des matériaux cuprate.

"Le problème avec les cuprates, c'est qu'ils sont à la frontière entre être un métal et un isolant, et vous avez besoin d'un calcul si bon qu'il puisse systématiquement capturer ce croisement, " Markiewicz dit. "Notre nouvelle modélisation peut capturer ce comportement."

L'équipe comprend des chercheurs de l'Université de Tulane, Université de technologie de Lappeenranta en Finlande, et l'Université du Temple. Les chercheurs sont les premiers à modéliser les états électroniques dans les cuprates sans ajouter de paramètres à la main à leurs calculs, ce que les physiciens ont dû faire dans le passé.

Pour faire ça, les chercheurs ont modélisé l'énergie des atomes d'oxydes d'yttrium baryum et cuivre à leurs niveaux les plus bas. Cela permet aux chercheurs de suivre les électrons lorsqu'ils s'excitent et se déplacent, qui à son tour aide à décrire les mécanismes soutenant la transition critique vers la supraconductivité.

Cette transition, connue sous le nom de phase pseudogap dans le matériau, pourrait être décrit simplement comme une porte, dit Bansil. Dans un isolant, la structure du matériau est comme une porte fermée qui ne laisse passer personne. Si la porte est grande ouverte, comme ce serait le cas pour un conducteur, les électrons passent facilement.

Mais dans les matériaux qui subissent cette phase de pseudogap, cette porte serait légèrement ouverte. La dynamique de ce qui transforme cette porte en une porte vraiment grande ouverte (ou, supraconducteur) reste un mystère, mais le nouveau modèle capture 26 configurations d'électrons qui pourraient le faire.

« Avec notre capacité à faire maintenant ce type de modélisation sans paramètres de premier principe, nous sommes en mesure d'aller plus loin, et j'espère commencer à mieux comprendre cette phase de pseudogap, " dit Bansil.