Une équipe internationale de scientifiques du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), l'Institut Max Planck de Physique Chimique des Solides, et des collègues des États-Unis et de la Suisse ont réussi à combiner diverses conditions expérimentales extrêmes d'une manière tout à fait unique, révélant des informations passionnantes sur les mystérieuses propriétés conductrices du métal cristallin CeRhIn 5 . Dans la revue Communication Nature , ils rendent compte de leur exploration de régions jusqu'alors inconnues du diagramme de phases de ce métal, qui est considéré comme un système modèle prometteur pour comprendre les supraconducteurs non conventionnels.

"D'abord, nous appliquons une fine couche d'or sur un monocristal microscopiquement petit. Ensuite, nous utilisons un faisceau d'ions pour sculpter de minuscules microstructures. Aux extrémités de ces structures, nous attachons des rubans de platine ultra-fins pour mesurer la résistance dans différentes directions sous des pressions extrêmement élevées, que nous générons avec une cellule de pression à enclume en diamant. En outre, nous appliquons des champs magnétiques très puissants à l'échantillon à des températures proches du zéro absolu."

À la personne moyenne, cela peut ressembler à la fantaisie fantaisiste d'un physicien trop zélé, mais en fait, il s'agit d'une description réelle des travaux expérimentaux menés par le Dr Toni Helm du High Magnetic Field Laboratory (HLD) du HZDR et ses collègues de Tallahassee, Los Alamos, Lausanne et Dresde. Bien, au moins en partie, parce que cette description fait seulement allusion aux nombreux défis impliqués dans la combinaison simultanée de ces extrêmes. Ce grand effort est, bien sûr, pas une fin en soi :les chercheurs tentent d'aller au fond de certaines questions fondamentales de la physique du solide.

L'échantillon étudié est le cer-rhodium-indium-cinq (CeRhIn 5 ), un métal aux propriétés surprenantes qui ne sont pas encore entièrement comprises. Les scientifiques le décrivent comme un conducteur électrique non conventionnel avec des porteurs de charge extrêmement lourds, dans lequel, sous certaines conditions, le courant électrique peut circuler sans pertes. On suppose que la clé de cette supraconductivité réside dans les propriétés magnétiques du métal. Les questions centrales étudiées par les physiciens travaillant avec de tels systèmes d'électrons corrélés incluent :Comment les électrons lourds s'organisent-ils collectivement ? Comment cela peut-il provoquer le magnétisme et la supraconductivité ? Et quelle est la relation entre ces phénomènes physiques ?

Une expédition à travers le diagramme de phases

Les physiciens s'intéressent particulièrement au diagramme de phase du métal, une sorte de carte dont les coordonnées sont en pression, force du champ magnétique, et la température. Si la carte doit être significative, les scientifiques doivent découvrir autant d'emplacements que possible dans ce système de coordonnées, tout comme un cartographe explorant un territoire inconnu. En réalité, le schéma qui se dessine n'est pas sans rappeler le relief d'un paysage.

Comme ils réduisent la température à près de quatre degrés au-dessus du zéro absolu, les physiciens observent l'ordre magnétique dans l'échantillon de métal. À ce point, ils ont un certain nombre d'options :ils peuvent refroidir encore plus l'échantillon et l'exposer à des pressions élevées, forçant une transition vers l'état supraconducteur. Si, d'autre part, ils augmentent uniquement le champ magnétique externe à 600, 000 fois la force du champ magnétique terrestre, l'ordre magnétique est également supprimé; cependant, le matériau entre dans un état appelé « électroniquement nématique ».

Ce terme est emprunté à la physique des cristaux liquides, où il décrit une certaine orientation spatiale des molécules avec un ordre à longue distance sur de plus grandes zones. Les scientifiques supposent que l'état électroniquement nématique est étroitement lié au phénomène de supraconductivité non conventionnelle. L'environnement expérimental de HLD offre des conditions optimales pour un projet de mesure aussi complexe. Les grands aimants génèrent des impulsions relativement longues et offrent suffisamment d'espace pour des méthodes de mesure complexes dans des conditions extrêmes.

Des expérimentations à la limite permettent d'entrevoir l'avenir

Les expériences ont quelques caractéristiques spéciales supplémentaires. Par exemple, travailler avec des champs magnétiques fortement pulsés crée des courants de Foucault dans les parties métalliques du dispositif expérimental, qui peut générer de la chaleur indésirable. Les scientifiques ont donc fabriqué les composants centraux à partir d'un matériau plastique spécial qui supprime cet effet et fonctionne de manière fiable près du zéro absolu. Grâce à la microfabrication par faisceaux d'ions focalisés, ils produisent une géométrie d'échantillon qui garantit un signal de mesure de haute qualité.

"La microstructuration deviendra beaucoup plus importante dans les expériences futures. C'est pourquoi nous avons tout de suite amené cette technologie en laboratoire, " dit Helm, ajoutant:"Nous avons donc maintenant des moyens d'accéder et de pénétrer progressivement dans des dimensions où les effets de la mécanique quantique jouent un rôle majeur." Il est également certain que le savoir-faire que lui et son équipe ont acquis contribuera à la recherche sur les supraconducteurs à haute température ou sur de nouvelles technologies quantiques.