Découverte de deux états quantiques d'un matériau supraconducteur prometteur

Publié par Adrien le 01/02/2020 à 08:00
Source: Université de Montréal
Toutes les technologies que nous utilisons fonctionnent grâce à des matériaux conducteurs d'électricité ou de champs magnétiques qui, à l'échelle atomique, offrent une résistance et engendrent une perte d'énergie importante... et coûteuse.


Aimant en lévitation (La lévitation est le fait, pour un être ou un objet, de se déplacer ou de rester en suspension au-dessus du sol, sous l'effet d'une force plus forte que la gravitation, sans contact physique solides.) magnétique au-dessus d'un supraconducteur à haute température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est...) critique. L'expulsion du champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction, définie...) du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de...) supraconducteur (effet Meissner) est responsable de cet effet de lévitation. Crédit: Getty

Aussi, depuis une centaine d'années, de nombreux physiciens ont concentré leurs recherches sur la supraconductivité (La supraconductivité (ou supraconduction) est un phénomène caractérisé par l'absence de résistance électrique et l'annulation du champ magnétique...), un état quantique (En mécanique quantique, l'état d'un système décrit tous les aspects du système physique. Il est représenté par un objet mathématique qui donne le maximum...) de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La...) dans lequel l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique qui étudie les...) peut voyager à l'infini (Le mot « infini » (-e, -s ; du latin finitus, « limité »), est un adjectif servant à qualifier quelque chose qui...) sans résistance tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en esquivant les champs magnétiques.

L'un des supraconducteurs les plus étudiés au cours des 25 dernières années est le ruthénate de strontium (Le strontium est un élément chimique, de symbole Sr et de numéro atomique 38. Le strontium, comme le calcium, est un alcalino-terreux. Il est mou,...). Et récemment, le doctorant (Un doctorant est un chercheur débutant s'engageant, sous la supervision d'un directeur de thèse, dans un projet de recherche sur une durée variable selon les pays et les...) Olivier Gingras, du Département de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...) de l'Université de Montréal (L’Université de Montréal est l'un des quatre établissements d'enseignement supérieur de Montréal au Québec. Elle est l'une des dix grandes universités du Canada (la deuxième en terme du...), a élaboré une théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou...) établissant deux nouvelles familles d'états quantiques spécifiques à ce matériau.

Cette théorie prometteuse, publiée dans les Physical Review Letters et formulée sous la codirection des professeurs Michel Côté, de l'UdeM, et André-Marie Tremblay, de l'Université de Sherbrooke (L'Université de Sherbrooke, fondée en 1954, est une université francophone située à Sherbrooke, Québec au Canada, dans la région de l'Estrie. En 2007 elle a...), ouvre la porte à de nouvelles avancées fondamentales dans le domaine de la physique contemporaine.

Supraconductivité non conventionnelle: le ballet des électrons !


Michel Côté et Olivier Gingras Crédit: Martin LaSalle
La supraconductivité n'est pas une propriété intrinsèque des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.): c'est plutôt une phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) de la matière, un peu comme lorsque l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) se transforme en glace (La glace est de l'eau à l'état solide.). D'ailleurs, pour devenir supraconducteurs, ils doivent être refroidis à des températures extrêmement basses. Les meilleurs matériaux connus en ce moment deviennent supraconducteurs à -135 °C, ce qui rend leur exploitation difficile ‒ et onéreuse.

Par ailleurs, il existe deux catégories de supraconducteurs: les conventionnels et les non-conventionnels.

"Dans les supraconducteurs conventionnels, c'est le mouvement de l'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...) qui explique de quelle façon les électrons tombent en état de supraconductivité: l'atome agit comme un chef d'orchestre, illustre Michel Côté. Or, dans les supraconducteurs non conventionnels, l'atome ne joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à ouvrir et fermer la bouche et à...) aucun rôle: ce sont les électrons eux-mêmes qui disciplinent leurs mouvements et se structurent de façon corrélée, comme dans un grand ballet!"

Le ruthénate de strontium: la drosophile des supraconducteurs ?

Si la théorie nommée Bardeen-Cooper-Schrieffer a permis en 1957 de comprendre le fonctionnement des supraconducteurs conventionnels, celui des supraconducteurs non conventionnels reste à établir.

Jusqu'en 1994, la famille de supraconducteurs la plus étudiée était celle des cuprates, une classe de matériaux à base de cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses surfaces fraîches une teinte...) qui requéraient l'ajout d'un dopant pour atteindre l'état de supraconductivité.

Mais cette année-là, on a découvert le ruthénate de strontium. Connu sous l'appellation scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) Sr2RuO4 ou SRO, ce matériau est le premier supraconducteur de structure cristalline ne contenant pas de cuivre et il offre l'avantage de pouvoir être synthétisé de manière extrêmement pure. Initialement, on croyait qu'il allait même servir à créer l'ordinateur quantique (Un ordinateur quantique (ou rarement calculateur quantique) repose sur des propriétés quantiques de la matière : superposition et intrication d'états quantiques. De petits...) !

"Pour plusieurs chercheurs, le ruthénate de strontium pourrait devenir l'équivalent, en physique des matériaux, de ce qu'est la drosophile dans la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne...) en génétique (La génétique (du grec genno γεννώ = donner naissance) est la science qui étudie l'hérédité et les gènes.), c'est-à-dire l'outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la...) qui permettrait d'analyser et d'expliquer la supraconductivité à partir de la symétrie des électrons", mentionne Olivier Gingras.

Toutefois, les différentes expériences menées sur ce supraconducteur ont donné des résultats fort différents.

"Tellement que même la caractéristique la plus fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) de l'état supraconducteur ‒ la symétrie du paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.) d'ordre [ou la manière dont les électrons s'apparient pour donner naissance à la supraconductivité] ‒ reste un mystère pour les chercheurs", poursuit le lauréat de la prestigieuse bourse Excellence Hydro-Québec (Hydro-Québec est une société d'État québécoise fondée en 1944. Son unique actionnaire est le gouvernement du Québec. La société, qui a son siège social à...) de l'UdeM.

Deux états quantiques qui pourraient "débloquer le code" de la "musique des électrons"

Aucune théorie unique ne décrit donc, de façon satisfaisante, le phénomène de la supraconductivité non conventionnelle.

Néanmoins, la théorie des fluctuations de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa...) et des charges est celle qui semble la plus plausible: elle postule l'existence d'un liant (Un liant est un produit liquide qui agglomère des particules solides sous forme de poudre. Dans le domaine de la peinture, il permet au pigment d'une peinture de coller sur le support, il est alors plutôt appelé...) qui explique le mouvement orchestré des charges électriques ‒ une sorte de musique inhérente aux électrons.

Pour tenter de déchiffrer cette "musique", il faut effectuer d'imposants calculs qui tiennent compte des effets collectifs d'un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'électrons en interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de...) constante. En effet, chaque gramme (Le gramme est une unité de masse du Système international (l'unité de base est le kilogramme) et du système CGS. L'abréviation du gramme est g.) de ruthénate de strontium contient 10 électrons... à la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) 23. C'est l'équivalent du nombre de grains de sable (Le sable, ou arène, est une roche sédimentaire meuble, constituée de petites particules provenant de la désagrégation d'autres roches dont la dimension...) dans le désert (Le mot désert désigne aujourd’hui une zone stérile ou peu propice à la vie, en raison du sol impropre, ou de la faiblesse des précipitations (moins...) du Sahara !

Olivier Gingras a donc confié les calculs d'essai de corrélation aux superordinateurs de Calcul Québec. Ces calculs ont nécessité l'utilisation de 100 processeurs qui, à l'issue d'une semaine, ont produit les résultats que le doctorant attendait.

"Nous avons découvert que, loin des instabilités où les fluctuations de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou...) augmentent, il existe deux triplets de spin à rupture de symétrie à inversion temporelle, c'est-à-dire deux nouvelles familles d'états quantiques potentiels", signale-t-il.

"Cette découverte pourrait faire progresser de façon phénoménale notre compréhension des matériaux quantiques, un peu comme si elle permettait de débloquer le code de la musique des électrons", illustre pour sa part le professeur Côté.

Une théorie qui intéresse les physiciens du monde entier

Les états quantiques mis au jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure locale) et sa durée...) par Olivier Gingras suscitent déjà beaucoup d'intérêt dans la communauté scientifique.

Pour preuve, à l'issue de la présentation de ses résultats préliminaires en mars dernier au congrès de la Société américaine de physique, qui a réuni plus de 10 000 participants, il a été invité à un atelier de travail en Allemagne, en septembre, portant sur le magnétisme (Le magnétisme est un phénomène physique, par lequel se manifestent des forces attractives ou répulsives d'un objet sur un autre, ou...) et la supraconductivité.

"La supraconductivité non conventionnelle est le casse-tête du siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une génération humaine et faisait 33 ans 4 mois (d'où peut...) en physique, conclut Olivier Gingras. C'est super intrigant et je souhaite contribuer à élucider ce mystère de la physique contemporaine."

Notons que sa recherche a été financée par le Fonds de recherche du Québec−Nature et technologies et par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada.
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