les supraconducteurs à haute température

[canardos]

[center]Les supraconducteurs à haute température critique : la théorie progresse ![/center]

Par Laurent Sacco,
Futura-Sciences, le 19/03/2007

En 1986, Bednorz et Müller ont découvert des matériaux supraconducteurs à haute température. Une intense excitation a alors saisi le milieu des physiciens de la matière condensée ainsi que celui des ingénieurs. La possibilité d’exploiter à court terme le phénomène de supraconductivité à des températures proches de celles de la vie de tous les jours révolutionnerait notre technologie. Le phénomène pose encore de nombreux problèmes aux théoriciens et suscite des controverses parmi eux. John Tranquada, du Brookhaven National Laboratory, pense avoir élucidé le mécanisme de celui-ci pour une certaine classe de supraconducteurs.



Matériau supraconducteur en lévitation magnétique

Il y a presque 20 ans maintenant, un composé de Lanthane, Baryum, Cuivre et Oxygène, en abrégé LBCO, exhibait un état supraconducteur dès 30° K, un record pour l’époque. L’année suivante, le remplacement du Lanthane par de l’Yttrium, permettait d’atteindre 92 ° K ! C’était sûr, bientôt on irait encore plus loin et un monde basé sur le stockage illimité de l’électricité, le transport sans perte de celle-ci et avec une électronique supraconductrice allait bientôt devenir réalité.

Il a fallu se rendre à l’évidence, le mécanisme et la technologie de la supraconductivité à haute température critique étaient plus difficiles à maîtriser que prévue !

Les associations de Lanthane, Cuivre et Oxygène, les LCO, ne sont pas supraconducteurs. Ils ne sont même pas des conducteurs mais sont par contre des matériaux antiferromagnétiques. À cause de la mécanique quantique, les électrons (qui peuvent se comparer à de petits aimants) par la nature des conditions où ils se trouvent dans les LCO, s’orientent de manière à avoir une alternance de pôle nord et sud. Cela permet de minimiser leur énergie. Ils se repoussent les uns les autres et ce faisant se bloquent, ce qui empêche tout transport de charges. Maintenant, si l’on remplace certains atomes de Lanthane par du Baryum, les choses sont différentes !

Le Baryum possède un électron de moins que le Lanthane, il se forme donc des ‘trous’ de charge dans la distribution d’électrons à l’intérieur des LBCO si on la compare à celle des LCO. Ces trous peuvent bouger et, toujours en liaison avec des phénomènes quantiques, c’est la base du phénomène de supraconduction. Plus on ajoute de Baryum, plus il y a de trous et plus le phénomène de supraconductivité est important. Sauf qu’à partir d’un certain moment, lorsqu’il y a autant de Baryum que de Lanthane, la supraconductivité cesse pour réapparaître et décliner ensuite graduellement en fonction de l'ajout d'atomes de Ba.



Schéma montrant les bandes de trous (bulles) et l'ordre antiferromagnétique dans les LBCO (Crédit : John Tranqueda).

Dans la phase où la supraconductivité cesse, on peut montrer que les trous s’arrangent pour former des séries de bandes. Ce que Tranquada et ses collègues ont proposé, il y a quelques années déjà, c’est que le phénomène de supraconduction dans les LBCO serait justement étroitement lié à la formation de ces bandes. Cela semble complètement fou mais il se trouve que ce type de bande existerait dans les composées avec Yttrium, les YBCO, précisément lorsqu’ils sont supraconducteurs !

En effet, lorsqu’on analyse ce qu’on appelle le spectre des excitations magnétiques des YBCO à l’état supraconducteur, on trouve exactement la même structure que pour les LBCO tellement dopés avec du Baryum qu’ils perdent leur supraconductivité. Dans ce dernier cas, ces bandes seraient statiques alors que dans l’état supraconducteur, elles seraient en mouvement ! Elles se déformeraient et bougeraient en bloc comme un fluide à l’intérieur de ces composés.

En plus des études faites au BNL, Tranquada et son équipe ont effectué toute une série de mesures par diffusion de neutrons sur des échantillons de supraconducteurs à haute température au laboratoire Léon Brillouin en France, à Saclay. Ce sont justement elles qui soutiennent le mieux sa théorie !



Les étapes de la course aux supraconducteurs à haute température critique
Crédits : Hoffman lab

[Laurent S]

Bonjour, petite confusion de ma part, le matériau supraconducteur, c'est la pastille blanche :emb:

[canardos]

[center]L'énigme des supraconducteurs R2CuO4 est résolue [/center]!

Par Laurent Sacco, Futura-Sciences, le 28/03/2007

Des chercheurs du laboratoire Argonne aux USA ont résolu une énigme datant de près de 20 ans. A cette époque, le monde de la physique du solide était en effervescence à cause de la découverte des supraconducteurs à haute température critique. Problèmes : alors que la supraconductivité des autres cuprates résultait en majorité d’un dopage en trous positifs dans leur structure, celle des R2CuO4 résultait d’un dopage en électrons d’une part et ces cuprates nécessitaient d’être chauffés au cours de leur synthèse d’autre part. Pourquoi ?



Structure d'un supraconducteur Pr1-xLaCexCuO4. Un feuillet d'oxydes de terres rares alterne avec un feuillet de CuO2 (Crédit : Laboratoire Argonne).

Rappelons que la supraconductivité est la propriété d’un matériau de conduire de l’électricité sans résistance en dessous d’une température critique. Jusque vers 1986, cela nécessitait de refroidir un matériau adéquat presque au zéro absolu.

Or, si le même phénomène pouvait se produire à température ambiante, cela révolutionnerait notre technologie en permettant de stocker et de conduire de l’électricité sans perte à volonté. On en est loin, c’est pourquoi toute compréhension du mécanisme de supraconductivité à haute température, comme dans les LBCO et autres cuprates, est potentiellement important. Pour le moment, le record de température est d’environ 130 °K, c’est encore loin des 273,12 °K de notre 0 °C !

Personne ne comprenait pourquoi l’étape de chauffage était nécessaire pour les cuprates R2CuO4 (où R indique la présence des éléments Nd, Pr, La, Ce ). Celle-ci ne semblait altérer ni la formule chimique ni la structure cristalline. Passait encore le fait qu’un dopage en électrons de la structure soit important car, ce qui compte, ce n’est pas le signe de la charge mais le fait qu’il y ait des charges libres. Elles sont obtenues en modifiant légèrement la structure de l’isolant initial utilisé pour synthétiser un supraconducteur. Mais pourquoi diable fallait-il aussi chauffer ?

Une équipe composée pour l’essentiel de membres du laboratoire Argonne et des Universités du Tennessee et Brigham Young s’est alors attelée à la tâche en utilisant les puissantes techniques de diffractions par rayons X et neutrons. Le résultat a été la publication suivante dans Nature Materials, où l’explication du phénomène est donnée.

Le commentaire de Stephan Rosenkranz, un des chercheurs impliqué est le suivant « Notre découverte ouvre la porte à la compréhension du mécanisme derrière le phénomène de supraconductivité pour les matériaux dopés avec des électrons » et il ajoute « Nous n’avions pas réalisé que les interconnexions entre ce phénomène et la structure des cuprates étaient si subtiles. Mais maintenant, nous comprenons ce qui détermine leur supraconductivité et sur quels paramètres jouer ».

Un groupe a donc utilisé la diffraction par rayons X pour étudier très précisément la répartition des atomes de cuivre, alors qu’un autre groupe dans l’équipe s’est concentré sur les atomes d’oxygène avec la diffraction des neutrons. Conclusion : Lors du chauffage, il apparaît de subtiles et fines corrélations dans des changements de places de ces atomes dans la structure cristalline du cuprate. C’est la structure cristalline obtenue qui se trouve être parfaite pour produire un état supraconducteur. De plus, le phénomène est réversible. En modifiant à nouveau les « défauts » obtenus par le chauffage, on peut ramener le matériau dans une structure impropre à la supraconductivité. C’était ces subtiles modifications de la position des atomes qui avaient jusqu’ici échappé à toutes détections !