Quarante-cinq ans après la découverte de la supraconductivité dans les métaux, la physique qui lui a donné naissance a finalement été expliquée en 1957 à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, dans la théorie de la supraconductivité de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS).

Trente ans après cette réalisation de référence, un nouveau mystère se pose aux physiciens de la matière condensée :la découverte en 1987 de l'oxyde de cuivre ou des supraconducteurs à haute température. Maintenant communément appelés cuprates, cette nouvelle classe de matériaux a démontré une physique qui tombait carrément en dehors de la théorie BCS. Les cuprates sont des isolants à température ambiante, mais transition vers une phase supraconductrice à une température critique beaucoup plus élevée que les supraconducteurs BCS traditionnels. (La température critique des cuprates peut atteindre 170 Kelvin - c'est -153,67°F - par opposition à la température critique beaucoup plus basse de 4 Kelvin - ou -452,47°F - pour le mercure, un supraconducteur BCS.)

La découverte des supraconducteurs à haute température, il y a maintenant plus de 30 ans, semblait promettre qu'une foule de nouvelles technologies étaient à l'horizon. Après tout, la phase supraconductrice des cuprates peut être atteinte en utilisant de l'azote liquide comme réfrigérant, au lieu de l'hélium liquide beaucoup plus coûteux et rare nécessaire pour refroidir les supraconducteurs BCS. Mais jusqu'à ce que le comportement supraconducteur inhabituel et inattendu de ces isolants puisse être expliqué théoriquement, cette promesse reste en grande partie non tenue.

Une vague de recherches en physique théorique et expérimentale a cherché à découvrir une explication satisfaisante de la supraconductivité dans les cuprates. Mais aujourd'hui, cela reste peut-être la question non résolue la plus urgente en physique de la matière condensée.

Aujourd'hui, une équipe de physiciens théoriciens de l'Institute for Condensed Matter Theory (ICMT) du Département de physique de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, dirigé par le professeur de physique de l'Illinois Philip Phillips, a pour la première fois résolu exactement un modèle représentatif du problème du cuprate, le modèle 1992 Hatsugai-Kohmoto (HK) d'un isolant Mott dopé.

L'équipe a publié ses conclusions en ligne dans la revue Physique de la nature le 27 juillet, 2020.

"Outre la différence évidente des températures supraconductrices, les cuprates commencent leur vie comme isolants Mott, dans lequel les électrons ne se déplacent pas indépendamment comme dans un métal, mais sont plutôt en interaction forte, " explique Phillips. " Ce sont les interactions fortes qui les rendent si bien isolées. "

Dans leurs recherches, L'équipe de Phillips résout exactement l'analogue du problème de « couplage de Cooper » de la théorie BCS, mais maintenant pour un isolant Mott dopé.

Qu'est-ce que le « couplage Cooper » ? Leon Cooper a démontré cet élément clé de la théorie BCS :l'état normal d'un métal supraconducteur traditionnel est instable à une interaction attractive entre des paires d'électrons. A la température critique d'un supraconducteur BCS, Des paires d'électrons de Cooper voyagent sans résistance à travers le métal :c'est la supraconductivité !

"C'est le premier article à montrer exactement qu'une instabilité de Cooper existe même dans un modèle jouet d'un isolant Mott dopé, " note Phillips. " De là, nous montrons que la supraconductivité existe et que les propriétés diffèrent radicalement de la théorie BCS standard. Ce problème s'était avéré si difficile, seule la phénoménologie numérique ou suggestive était possible avant nos travaux."

Phillips attribue au boursier postdoctoral de l'ICMT Edwin Huang l'écriture de l'analogue de la fonction d'onde BCS pour l'état supraconducteur, pour le problème de Mott.

"La fonction d'onde est l'élément clé que vous devez avoir pour dire qu'un problème est résolu, " dit Phillips. " La fonction d'onde de John Robert Schrieffer s'est avérée être le cheval de bataille informatique de toute la théorie BCS. Tous les calculs ont été faits avec. Pour les problèmes d'électrons en interaction, il est notoirement difficile d'écrire une fonction d'onde. En réalité, jusqu'à présent, seules deux fonctions d'onde ont été calculées qui décrivent les états d'interaction de la matière, un par Robert Laughlin dans l'effet Hall quantique fractionnaire, et l'autre par Schrieffer dans le contexte de la théorie BCS. Donc le fait qu'Edwin ait pu faire ça pour ce problème est tout un exploit."

Lorsqu'on leur a demandé pourquoi les cuprates ont prouvé un tel mystère aux physiciens, Phillips explique, "En réalité, ce sont les interactions fortes dans l'état de Mott qui ont empêché une solution au problème de la supraconductivité dans les cuprates. Il a même été difficile de démontrer l'analogue du problème d'appariement de Cooper dans n'importe quel modèle d'isolateur Mott dopé."

La fonction d'onde isolante Mott de Huang a encore permis à Phillips, Huang, et l'étudiant diplômé en physique Luke Yeo pour résoudre un casse-tête expérimental clé dans les cuprates, connu comme "le changement de couleur." Contrairement aux métaux, les cuprates présentent une absorption accrue du rayonnement aux basses énergies avec une diminution concomitante de l'absorption aux hautes énergies. L'équipe de Phillips a montré que ce comportement provient des vestiges de ce que Phillips appelle la "physique de Mott" ou "Mottness" dans l'état supraconducteur.

Mottness est un terme inventé par Phillips pour encapsuler certaines propriétés collectives des isolants Mott, prédit pour la première fois peu après la Seconde Guerre mondiale par le physicien britannique et lauréat du prix Nobel Nevill Francis Mott.

En outre, les chercheurs ont montré que la densité superfluide, qui a été observé pour être supprimé dans les cuprates par rapport à sa valeur dans les métaux, est aussi une conséquence directe de la Mottness du matériau.

Plus loin, L'équipe de Phillips est allée au-delà du problème de Cooper pour démontrer que le modèle a des propriétés supraconductrices qui se situent en dehors de celles de la théorie BCS.

"Par exemple, " Phillips explique, "le rapport de la température de transition à l'écart énergétique dans l'état supraconducteur dépasse largement celui de la théorie BCS. De plus, notre travail montre que les excitations élémentaires dans l'état supraconducteur se situent également en dehors du paradigme BCS car elles découlent de la large gamme d'échelles d'énergie intrinsèques à l'état de Mott."