Les physiciens ont identifié un mécanisme derrière la supraconductivité oscillante, appelé ondes de densité de paires, à travers des structures connues sous le nom de singularités de Van Hove. Cette découverte offre une meilleure compréhension des états supraconducteurs non conventionnels trouvés dans des matériaux spécifiques, y compris les supraconducteurs à haute température.
Les chercheurs ont publié un nouveau cadre théorique.
Les physiciens ont identifié un mécanisme responsable de la création de supraconductivité oscillante, appelé ondes de densité de paires. Les résultats, qui mettent en lumière un état supraconducteur à haute température atypique observé dans des matériaux spécifiques comme les supraconducteurs à haute température, ont été publiés dans Lettres d’examen physique.
« Nous avons découvert que les structures connues sous le nom de singularités de Van Hove peuvent produire des états de supraconductivité modulants et oscillants », explique Luiz Santos, professeur adjoint de physique à l’Université Emory et auteur principal de l’étude. « Notre travail fournit un nouveau cadre théorique pour comprendre l’émergence de ce comportement, un phénomène qui n’est pas bien compris. »
Le premier auteur de l’étude est Pedro Castro, un étudiant diplômé en physique d’Emory. Les co-auteurs incluent Daniel Shaffer, un boursier postdoctoral du groupe Santos, et Yi-Ming Wu de l’Université de Stanford.
Santos est un théoricien spécialisé dans la physique de la matière condensée. Il étudie les interactions des matériaux quantiques – de minuscules choses comme les atomes, les photons et les électrons – qui ne se comportent pas selon les lois de la physique classique.
La supraconductivité, ou la capacité de certains matériaux à conduire l’électricité sans perte d’énergie lorsqu’ils sont refroidis à une température extrêmement basse, est un exemple de comportement quantique intrigant. Le phénomène a été découvert en 1911 lorsque le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes a montré que le mercure perdait sa résistance électrique lorsqu’il était refroidi à 4 Kelvin ou moins 371 degrés. Fahrenheit. C’est à peu près la température de Uranusla planète la plus froide du système solaire.
Il a fallu aux scientifiques jusqu’en 1957 pour trouver une explication de comment et pourquoi la supraconductivité se produit. À des températures normales, les électrons se déplacent plus ou moins indépendamment. Ils heurtent d’autres particules, les obligeant à changer de vitesse et de direction et à dissiper de l’énergie. À basse température, cependant, les électrons peuvent s’organiser dans un nouvel état de la matière.
Luiz Santos, professeur adjoint de physique à l’Université Emory, est l’auteur principal de l’étude. Crédit : Université Emory
« Ils forment des paires qui sont liées ensemble dans un état collectif qui se comporte comme une seule entité », explique Santos. « Vous pouvez les considérer comme des soldats dans une armée. S’ils se déplacent isolément, ils sont plus faciles à dévier. Mais lorsqu’ils marchent ensemble, il est beaucoup plus difficile de les déstabiliser. Cet état collectif porte le courant de manière robuste.
La supraconductivité recèle un énorme potentiel. En théorie, cela pourrait permettre au courant électrique de se déplacer dans les fils sans les chauffer ni perdre d’énergie. Ces fils pourraient alors transporter beaucoup plus d’électricité, beaucoup plus efficacement.
« L’un des Saint Graal de la physique est la supraconductivité à température ambiante qui est suffisamment pratique pour les applications de la vie quotidienne », déclare Santos. « Cette percée pourrait changer la forme de la civilisation. »
De nombreux physiciens et ingénieurs travaillent sur cette ligne de front pour révolutionner la façon dont l’électricité est transférée.
Pendant ce temps, la supraconductivité a déjà trouvé des applications. Les bobines supraconductrices alimentent les électroaimants utilisés dans les appareils d’imagerie par résonance magnétique (IRM) pour les diagnostics médicaux. Une poignée de trains à lévitation magnétique fonctionnent maintenant dans le monde, construits sur des aimants supraconducteurs 10 fois plus puissants que les électroaimants ordinaires. Les aimants se repoussent lorsque les pôles correspondants se font face, générant un champ magnétique capable de léviter et de propulser un train.
Le Large Hadron Collider, un accélérateur de particules que les scientifiques utilisent pour étudier la structure fondamentale de l’univers, est un autre exemple de technologie qui passe par la supraconductivité.
La supraconductivité continue d’être découverte dans de plus en plus de matériaux, dont beaucoup sont supraconducteurs à des températures plus élevées.
L’un des axes de recherche de Santos est de savoir comment les interactions entre les électrons peuvent conduire à des formes de supraconductivité qui ne peuvent être expliquées par la description de 1957 de la supraconductivité. Un exemple de ce soi-disant phénomène exotique est la supraconductivité oscillante, lorsque les électrons appariés dansent en vagues, changeant d’amplitude.
Dans un projet indépendant, Santos a demandé à Castro d’étudier les propriétés spécifiques des singularités de Van Hove, des structures où de nombreux états électroniques se rapprochent en énergie. Le projet de Castro a révélé que les singularités semblaient avoir le bon type de physique pour ensemencer la supraconductivité oscillante.
Cela a incité Santos et ses collaborateurs à approfondir. Ils ont découvert un mécanisme qui permettrait à ces états supraconducteurs d’ondes dansantes de provenir des singularités de Van Hove.
« En tant que physiciens théoriciens, nous voulons pouvoir prédire et classer le comportement pour comprendre le fonctionnement de la nature », déclare Santos. « Ensuite, nous pouvons commencer à poser des questions ayant une pertinence technologique. »
Certains supraconducteurs à haute température – qui fonctionnent à des températures environ trois fois plus froides qu’un congélateur domestique – ont ce comportement d’onde dansante. La découverte de la façon dont ce comportement peut émerger des singularités de Van Hove fournit une base aux expérimentateurs pour explorer le domaine des possibilités qu’il présente.
« Je doute que Kamerlingh Onnes ait pensé à la lévitation ou aux accélérateurs de particules lorsqu’il a découvert la supraconductivité », déclare Santos. « Mais tout ce que nous apprenons sur le monde a des applications potentielles. »
Le travail a été financé par le Bureau des sciences énergétiques de base du Département américain de l’énergie.
