Une étude identifie le mécanisme qui maintient les paires d’électrons ensemble dans les supraconducteurs non conventionnels

Selon le point de vue que l’on choisit, un calcul théorique peut décrire plus ou moins précisément la physique observée. En 2015, Alessandro Toschi de l’Institut de physique du solide de la TU Wien et son équipe, dans le cadre d’une coopération internationale, ont développé une méthode théorique qui peut être utilisée pour déterminer la meilleure façon d’aborder les questions non résolues en physique du solide.

Depuis lors, l’équipe de recherche a développé cette méthode de diagnostic et l’a récemment appliquée aux supraconducteurs non conventionnels, en collaboration avec des chercheurs de l’Université du Michigan à Ann Arbor et du Max Planck Institute for Solid State Research à Stuttgart. Les chercheurs ont récemment publié leurs résultats dans la revue scientifique Actes de l’Académie nationale des sciences (PNAS).

L’idée derrière cette méthode peut être mieux illustrée par une analogie : en mécanique classique, il existe plusieurs façons de décrire le mouvement des corps célestes. Si l’on considère la Terre comme le centre du système solaire, par exemple, la description devient vite confuse et compliquée. Mais si nous plaçons le soleil au centre du modèle, la description théorique devient beaucoup plus élégante et significative.

La situation est similaire avec les divers mécanismes concurrents qui régissent la physique des supraconducteurs non conventionnels. Leur résistance électrique, comme pour les supraconducteurs classiques, s’annule brutalement en dessous d’un certain niveau de température, ce qui permet de conduire et de stocker l’électricité sans perte. Pour réaliser cet état particulier, les électrons du solide doivent se lier par paires, malgré la répulsion mutuelle. Ce phénomène physique purement quantique peut être déclenché par divers mécanismes. Alors que dans les supraconducteurs conventionnels, l’interaction entre les électrons et les vibrations atomiques joue un rôle central, cet effet est généralement négligeable dans les supraconducteurs non conventionnels. Ici, l’interaction répulsive entre les électrons est d’une plus grande importance.

Théorie et pratique

Pendant longtemps, cependant, on s’est disputé par quel mécanisme microscopique cette répulsion entre les électrons est surmontée et ainsi des paires peuvent être formées – la soi-disant « colle d’appariement », comme l’explique Alessandro Toschi. En particulier, la question est de savoir quel type de fluctuation (par exemple, spin ou charge) maintient les paires d’électrons ensemble dans les supraconducteurs non conventionnels. « Les collègues de l’Université du Michigan ont donc voulu analyser leurs résultats pour un calcul destiné à la classe des matériaux cuprates à l’aide de notre méthode de diagnostic », rapporte Toschi. Ces supraconducteurs non conventionnels, dont la structure cristalline contient des anions de cuivre, ont été découverts dès 1986 et n’ont cessé depuis de déconcerter la physique.

La question centrale à laquelle les chercheurs ont voulu répondre est de savoir dans quelle formulation la physique de la supraconductivité non conventionnelle est la plus transparente. Cela correspond à identifier quelles fluctuations sont responsables de la liaison de la paire d’électrons. « Nous avons enfin pu montrer que les fluctuations de spin (antiferromagnétiques) sont celles qui sont à l’origine de la physique des supraconducteurs non conventionnels. Si vous changez de perspective et que vous vous concentrez sur les fluctuations de charge, en revanche, vous obtenez une représentation floue et essentiellement inutile. de la physique sous-jacente », déclare Alessandro Toschi. Pour rester dans l’analogie du système solaire, les fluctuations de spin correspondent donc à ce système de référence dans lequel le soleil est placé au centre.

Bien que seuls les cuprates aient été étudiés dans la présente étude, ces résultats peuvent très probablement être également transférés à la classe de matériaux des nickelates, qui, comme les cuprates, appartiennent à la classe des supraconducteurs non conventionnels.

Le mystère est résolu

Avec ce résultat, l’équipe de recherche ne contribue pas seulement à une meilleure compréhension du mécanisme des supraconducteurs non conventionnels. La prise de conscience que les fluctuations de spin sont le facteur décisif permet également de simplifier les futurs calculs théoriques, permettant ainsi des prédictions plus précises. « Auparavant, notre méthode n’était qu’un outil théorique. En établissant le lien pratique, la méthode s’est imposée comme l’une des applications les plus importantes pour un problème que la communauté scientifique tente de résoudre depuis près de 40 ans », résume Alessandro Toschi. . « Notre outil de diagnostic fournit des réponses sans ambiguïté à des questions précédemment ouvertes. »

Mais la société peut également bénéficier des découvertes fondamentales, d’un point de vue prospectif. Si les supraconducteurs peuvent être utilisés à des températures plus élevées et à une pression normale à l’avenir, ils pourraient contribuer à résoudre le problème du stockage de l’énergie, qui est un facteur limitant dans l’utilisation des énergies renouvelables.