Représentation graphique d’un échantillon microstructuré (rouge) pour des mesures électriques sur supraconducteurs non conventionnels. L’or et le platine sont utilisés pour le contact. Les électrons (sphères vertes) se couplent par paires via des fluctuations vibratoires ou magnétiques. Crédit : B. Schröder/HZDR
UTe2, un supraconducteur non conventionnel étudié par des chercheurs internationaux, présente une supraconductivité unique sous des champs magnétiques élevés, offrant ainsi un nouveau potentiel technologique.
À des températures suffisamment basses, certains métaux perdent leur résistance électrique et conduisent l’électricité sans perte. Cet effet de la supraconductivité est connu depuis plus de cent ans et est bien compris pour les supraconducteurs dits conventionnels. Plus récents, cependant, sont les supraconducteurs non conventionnels, pour lesquels on ne sait pas encore comment ils fonctionnent.
Une équipe du Helmholtz-Zentrum Dresde-Rossendorf (HZDR), en collaboration avec des collègues de l’institution de recherche française CEA (Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives), de l’Université de Tohoku au Japon, et de l’Institut Max Planck de physique chimique des solides à Dresde, a désormais acquis de nouvelles connaissances . Les chercheurs rapportent leurs récentes découvertes dans la revue Communications naturelles. Ils pourraient expliquer pourquoi un nouveau matériau reste supraconducteur même dans des champs magnétiques extrêmement élevés – une propriété qui manque aux supraconducteurs conventionnels, avec le potentiel de permettre des applications technologiques auparavant inconcevables.
Suivi de la supraconductivité non conventionnelle
« Ditellurure d’uranium, ou UTe2 en abrégé, il s’agit d’un matériau de haut vol parmi les matériaux supraconducteurs », déclare le Dr Toni Helm du Laboratoire de champs magnétiques élevés (HLD) de Dresde au HZDR. « Comme découvert en 2019, le composé conduit l’électricité sans perte, mais d’une manière différente des supraconducteurs conventionnels. »
Depuis, des groupes de recherche du monde entier se sont intéressés à ce matériau. Cela inclut l’équipe de Helm, qui a fait un pas de plus vers la compréhension du matériel.
« Pour apprécier pleinement l’engouement suscité par ce matériau, il faut s’intéresser de plus près à la supraconductivité », explique le physicien. « Ce phénomène résulte du mouvement des électrons dans la matière. Chaque fois qu’ils entrent en collision avec des atomes, ils perdent de l’énergie sous forme de chaleur. Cela se manifeste par une résistance électrique. Les électrons peuvent éviter cela en s’organisant en paires, appelées paires de Cooper.
C’est lorsque deux électrons se combinent à basse température pour se déplacer à travers un solide sans friction. Ils exploitent alors les vibrations atomiques qui les entourent comme une sorte de vague sur laquelle ils peuvent surfer sans perdre d’énergie. Ces vibrations atomiques expliquent la supraconductivité conventionnelle.
«Mais depuis quelques années, on connaît également des supraconducteurs dans lesquels des paires de Cooper se forment par des effets qui ne sont pas encore entièrement compris», explique le physicien. Une forme possible de supraconductivité non conventionnelle est la supraconductivité à triple spin. On pense qu’il utilise les fluctuations magnétiques.
« Il existe également des métaux dans lesquels les électrons de conduction se rassemblent collectivement », explique Helm. « Ensemble, ils peuvent protéger le magnétisme du matériau, se comportant comme une seule particule avec – pour les électrons – une masse extrêmement élevée. »
De tels matériaux supraconducteurs sont appelés supraconducteurs à fermions lourds. UTe2, pourrait donc être à la fois un triplet de spin et un supraconducteur à fermions lourds, comme le suggèrent les expériences actuelles. Il est surtout le champion du monde des poids lourds : à ce jour, on ne connaît aucun autre supraconducteur à fermions lourds qui soit encore supraconducteur dans des champs magnétiques similaires ou supérieurs. Cela a également été confirmé par la présente étude.
Extrêmement robuste contre les champs magnétiques
La supraconductivité dépend de deux facteurs : la température de transition critique et le champ magnétique critique. Si la température descend en dessous de la température de transition critique, la résistance tombe à zéro et le matériau devient supraconducteur. Les champs magnétiques externes influencent également la supraconductivité. Si ceux-ci dépassent une valeur critique, l’effet s’effondre.
« Les physiciens ont une règle empirique à ce sujet », rapporte Helm : « Dans de nombreux supraconducteurs conventionnels, la valeur de la température de transition en kelvin est environ une à deux fois supérieure à la valeur de l’intensité critique du champ magnétique en tesla. Dans les supraconducteurs à triple spin, ce rapport est souvent beaucoup plus élevé.
Avec leurs études sur les poids lourds UTe2les chercheurs ont désormais réussi à placer la barre encore plus haut : à une température de transition de 1,6 kelvin (-271,55°C), l’intensité critique du champ magnétique atteint 73 tesla, ce qui fixe le rapport à 45, un record.
«Jusqu’à présent, les supraconducteurs à fermions lourds présentaient peu d’intérêt pour les applications techniques», explique le physicien. « Ils ont une température de transition très basse et l’effort requis pour les refroidir est relativement élevé. »
Néanmoins, leur insensibilité aux champs magnétiques extérieurs pourrait compenser ce défaut. En effet, le transport de courant sans perte est aujourd’hui principalement utilisé dans les aimants supraconducteurs, par exemple dans les scanners d’imagerie par résonance magnétique (IRM). Mais les champs magnétiques influencent également le supraconducteur lui-même. Un matériau capable de résister à des champs magnétiques très élevés tout en conduisant l’électricité sans perte représenterait un progrès majeur.
Traitement spécial pour un matériau exigeant
« Bien sûr, l’UTe2 ne peut pas être utilisé pour fabriquer des conducteurs pour un électro-aimant supraconducteur », explique Helm. « Premièrement, les propriétés du matériau le rendent impropre à cette entreprise et, deuxièmement, il est radioactif. Mais il est parfaitement adapté à l’exploration de la physique derrière la supraconductivité des triplets de spin.
Sur la base de leurs expériences, les chercheurs ont développé un modèle qui pourrait expliquer la supraconductivité avec une stabilité extrêmement élevée face aux champs magnétiques. Pour ce faire, ils ont travaillé sur des échantillons d’épaisseurs de quelques micromètres, soit seulement une fraction de l’épaisseur d’un cheveu humain (environ 70 micromètres). Le rayonnement radioactif émis par les échantillons reste donc bien inférieur à celui du fond naturel.
Afin d’obtenir et de façonner un échantillon aussi minuscule, Helm a utilisé comme outil de coupe un faisceau d’ions de haute précision d’un diamètre de quelques nanomètres seulement. UTe2 est un matériau sensible à l’air. Par conséquent, Helm effectue la préparation des échantillons sous vide et les scelle ensuite dans de la colle époxy.
« Pour prouver définitivement que notre matériau est un supraconducteur à triple spin, il faudrait l’examiner spectroscopiquement alors qu’il est exposé à de puissants champs magnétiques. Cependant, les méthodes de spectroscopie actuelles ont encore du mal à atteindre des champs magnétiques supérieurs à 40 tesla. Aux côtés d’autres équipes, nous travaillons également au développement de nouvelles techniques. À terme, cela nous permettra de fournir une preuve définitive», affirme Helm avec confiance.
