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Source: CNRS

Les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) supraconducteurs à haute température (La température d'un système est une fonction croissante du degré d'agitation thermique des particules, c'est-à-dire de...) critique révèlent une part de leur mystère: les chercheurs du Laboratoire Léon Brillouin (Léon Brillouin (né le 7 août 1889 à Sèvres - mort en 1969 à New York) était un physicien franco-américain,...) (CEA/CNRS), en collaboration avec des scientifiques de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche),...) du Minnesota (USA), sont parvenus à valider expérimentalement la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage...) selon laquelle il existerait dans ces matériaux un état ordonné de la matière, aux propriétés magnétiques inédites, qui précèderait la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en...) supraconductrice. Cette découverte a fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois...) d'une publication en novembre dans la revue Nature et constitue une étape importante dans la maîtrise de la supraconductivité (La supraconductivité est un phénomène survenant dans certains matériaux dits supraconducteurs. Il est caractérisé par...) à haute température.

Découverte en 1911, la supraconductivité est un état de la matière caractérisée par l'absence de résistance électrique et l'annulation du champ magnétique (En physique, le champ magnétique est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction,...). Les matériaux supraconducteurs sont ainsi en mesure de conduire le courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique (électrons).) sans déperdition d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la...). Pour devenir supraconducteur, ces matériaux doivent classiquement être portés à une température extrêmement basse, qui peut varier entre 1 et 20 K (soit entre -272 et -253 degrés Celsius), mais qui reste proche du zéro absolu.

Depuis 1987 cependant, la supraconductivité n'est plus confinée à ces températures extrêmes : les chercheurs ont découvert que certains matériaux à base d'oxyde de cuivre étaient capables d'atteindre l'état supraconducteur à une température de 135 K (-138 degrés Celsius). Alors que les supraconducteurs classiques nécessitent un refroidissement à l'hélium liquide (La phase liquide est un état de la matière.), ces matériaux, appelés supraconducteurs à haute température critique, peuvent être simplement refroidis à l'azote (Table complète - Table étendue) liquide, ce qui pourrait rendre leur utilisation beaucoup plus accessible.

Pour expliquer ce phénomène de la supraconductivité à haute température, les physiciens doivent parvenir à élucider le comportement particulier de ces matériaux qui, avant de devenir supraconducteurs, passent par une phase totalement inédite. Au cours de cette phase intermédiaire, appelée phase de "pseudo-gap", apparaissent des propriétés électroniques anormales, qui ne correspondent pas au comportement des métaux conventionnels.

Plusieurs modèles théoriques ont été proposés pour décrire cette phase de pseudo-gap. L'un d'entre eux, celui du professeur C.M. Varma, de l'Université de Riverside (Californie), postule l'existence d'un ordre caché d'où émergerait l'état supraconducteur de la matière: en dessous d'une certaine température, apparaîtrait un nouvel état de la matière dans lequel des boucles microscopiques de courant électrique se formeraient de manière spontanée. La phase de pseudo-gap résulterait de l'apparition de ces nano-boucles de courant.

C'est cette théorie qu'une équipe du Laboratoire Léon Brillouin (CEA/CNRS), en collaboration avec une équipe de l'université du Minnesota (USA), vient de valider, grâce aux observations réalisées avec le spectromètre à neutrons polarisés IN20 (ce spectromètre à haut flux de neutrons est actuellement le plus performant au monde de sa catégorie) de l'Institut Laue Langevin (ILL). En effet, pour la première fois, l'équipe a pu ainsi observer une excitation magnétique insoupçonnée, présentant une très faible dispersion et n'existant exclusivement que dans la phase de pseudo-gap. Ce comportement est celui attendu lorsqu'on postule l'existence de nano-boucles de courant. Après la mise en évidence d'un ordre magnétique dans la phase pseudo-gap en 2006, l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide...) de ses excitations magnétiques renforce donc la théorie d'une origine magnétique de la supraconductivité à haute température. L'interprétation de ce phénomène fascinant semble proche, mais ces observations doivent encore être validées sur d'autres composés.

Expliquer les performances de ces matériaux supraconducteurs à haute température critique est un vrai défi. De nombreux laboratoires sont en compétition à travers le monde pour découvrir les fondements théoriques de la supraconductivité à haute température critique. Les enjeux scientifiques et technologiques sont majeurs car les contraintes liées aux très basses températures nécessaires pour atteindre l'état supraconducteur de la matière restent un frein (Un frein est un système permettant de ralentir, voire d'immobiliser, les pièces en mouvement d'une machine ou un...) au développement des technologies utilisant la supraconductivité.

Référence: “Hidden magnetic excitation in the pseudogap phase of a model cuprate superconductor”
Yuan Li, V. Balédent, G. Yu, N. Bariši?, K. Hradil, R.A. Mole, Y. Sidis, P. Steffens, X. Zhao, P. Bourges, M. Greven, Nature 468, 283-285 (10 November 2010)