Les supraconducteurs à température ambiante pourraient tout transformer, des réseaux électriques aux accélérateurs de particules en passant par les ordinateurs, mais les chercheurs essaient toujours de comprendre comment ces matériaux fonctionnent au niveau atomique.

Récemment, le physicien de l'État de Caroline du Nord, Lex Kemper, a fait partie d'une équipe internationale qui a publié un article dans Science sur les propriétés uniques d'un matériau appelé oxyde de cuivre et de baryum d'yttrium, ou YBCO.

L'équipe a découvert que la supraconductivité de YBCO est liée de manière inattendue à un autre phénomène connu sous le nom d'ondes de densité de charge (CDW), ou ondulations de la densité d'électrons dans le matériau. Ces CDW deviennent plus forts lorsque la supraconductivité de YBCO est désactivée. Cependant, ils ont été surpris de constater que les CDW sont également devenus plus organisés dans l'espace, suggérant que la supraconductivité façonne en quelque sorte fondamentalement la forme des CDW à l'échelle nanométrique.

Qu'est-ce que cela signifie? L'abstrait a demandé à Kemper de partager ses idées.

TA :La recherche de supraconducteurs à température ambiante pourrait transformer de nombreuses industries. Dans cet article, vous avez examiné le lien entre la supraconductivité et les ondes de densité de charge dans un matériau appelé YBCO. Commençons par quelques définitions de base :qu'est-ce qui donne à un matériau la supraconductivité ?

Kemper :C'est une très bonne question. Nous savons par la théorie BCS que la supraconductivité peut se produire parce que deux électrons peuvent interagir indirectement via des vibrations de réseau, une sorte de force. Ils forment une paire liée appelée paire de Cooper, et lorsque tous les électrons pertinents du matériau le font, vous obtenez un état appelé supraconductivité. Maintenant, cette théorie n'est pas directement applicable à YBCO - et cela a stimulé plusieurs décennies de recherche pour comprendre ce qui se passe dans ces matériaux. Actuellement, nous pensons que la force de liaison est fournie par les fluctuations magnétiques du matériau, plutôt que par les vibrations du réseau.

TA :Qu'est-ce qu'une onde de densité de charge ?

Kemper :Imaginez que vous avez une file de personnes, toutes espacées de manière égale, c'est votre structure de départ. Maintenant, demandez à chaque groupe de deux personnes de se jumeler et de se tenir légèrement plus près l'un de l'autre - c'est le moyen le plus simple de voir une onde de densité de charge. Essentiellement, c'est un modèle supplémentaire en plus de celui qui existait déjà. Dans YBCO, nous pensons que cette structuration supplémentaire se produit en raison des électrons agissant seuls, plutôt que des atomes impliqués.

TA :Lorsque vous avez utilisé des impulsions laser pour "désactiver" la supraconductivité dans le YBCO, vous avez remarqué que les ondes de densité de charge devenaient à la fois plus fortes et plus organisées, ce qui signifie que la supraconductivité et les ondes de densité de charge sont en quelque sorte connectées à l'échelle nanométrique. Qu'est-ce que cela signifie ?

Kemper :Ce que cette étude a montré n'est pas tant une voie à suivre pour trouver ou créer des supraconducteurs à haute température; il s'agit plutôt d'une étape dans la compréhension de la physique fondamentale en jeu. Nous avons constaté que la suppression de la supraconductivité amène les ondes de densité de charge à conserver leur modèle sur des échelles de longueur beaucoup plus longues, ce qui indique qu'elles sont en concurrence, mais de manière structurée à l'échelle nanométrique. Cela jette un nouvel éclairage sur le problème de l'ordre coexistant/entrelacé que nous voyons dans ces matériaux.

TA :Pourquoi cet ordre entrelacé est-il considéré comme un "problème" ou quelque chose que nous devons approfondir ? Ne comprenons-nous tout simplement pas pourquoi/comment cela se produit ? Cela interfère-t-il avec notre capacité à exploiter certaines propriétés du matériau ?

Kemper :En bref, nous ne comprenons pas très bien pourquoi ce matériau est supraconducteur, pourquoi il présente une onde de densité de charge, sans parler de la combinaison des deux ! Une bonne façon de comprendre quelque chose en physique est de le perturber légèrement et de voir comment il réagit (c'est ainsi que fonctionnent presque toutes les expériences, et aussi comment de nombreuses propriétés des matériaux apparaissent). Dans ce cas, nous avons perturbé avec une impulsion laser ultra-rapide et observé la dynamique résultante, ce qui nous a appris quelque chose de nouveau que nous ne savions pas auparavant. Dans ce cas, il a révélé l'existence d'une sorte de structuration à l'échelle nanométrique et a exclu plusieurs autres options de structuration (à l'échelle nanométrique ou non).

TA :Quelles sont les prochaines étapes de ce travail ?

Kemper :Les prochaines étapes consistent à affiner l'expérience et la théorie, et à essayer de trouver de nouvelles façons d'aborder ce problème. Plus largement, nous espérons que le domaine intégrera ce travail dans sa réflexion sur la physique fondamentale des ondes de densité de charge et la supraconductivité dans ces matériaux.

TA :Pensez-vous que nous arriverons bientôt à des supraconducteurs utilisables à température ambiante ?

Kemper :C'est une très bonne question. Je l'espère. Ce que j'attends, c'est que si cela se produit, cela viendra d'un coin inattendu du vaste océan de possibilités que nous n'avons pas encore exploré. + Explorer plus loin

La collaboration révèle l'interaction entre l'ordre de charge et la supraconductivité à l'échelle nanométrique