Décrypter l'énigme : les origines de la supraconductivité dans les cuprates à haute température

Des chercheurs ont découvert un ordre d'ondes de densité de charge à longue portée induit par la contrainte dans un supraconducteur à haute température, éclairant ainsi les mécanismes sous-jacents.

Les supraconducteurs sont des matériaux capables de conduire l’électricité sans résistance lorsqu’ils sont refroidis en dessous d’une température spécifique appelée température critique. Ces matériaux sont utilisés dans diverses applications telles que les réseaux électriques, les trains à sustentation magnétique et les équipements d’imagerie médicale. Les supraconducteurs à haute température, qui fonctionnent à des températures critiques plus élevées que les supraconducteurs classiques, sont très prometteurs pour améliorer ces technologies. Néanmoins, les mécanismes sous-jacents de leur supraconductivité ne sont pas encore entièrement compris.

Les oxydes de cuivre ou cuprates, une classe de supraconducteurs à haute température, présentent une supraconductivité lorsque des électrons et des trous (espaces vacants laissés par les électrons) sont introduits dans leur structure cristalline par un processus appelé dopage. Il est intéressant de noter que dans l’état faiblement dopé, avec des électrons moins qu’optimaux requis pour la supraconductivité, un pseudogap – un espace partiel dans la structure électronique – s’ouvre. Ce pseudogap est considéré comme un facteur potentiel dans l’origine de la supraconductivité dans ces matériaux.

a. Les résultats montrent que la supraconductivité (SC) et le CDW à longue portée peuvent coexister tandis qu'une augmentation de la contrainte supprime la supraconductivité et améliore l'ordre CDW. b. À une contrainte de 0,15 %, l'ordre CDW à courte portée se transforme en ordre CDW à longue portée. Crédit : Shinji Kawasaki de l'Université d'Okayama https://www.nature.com/articles/s41467-024-49225-w

De plus, des études antérieures ont révélé un ordre d'onde de densité de charge (CDW) à longue portée, dans le régime faiblement dopé des cuprates, qui brise la symétrie cristalline de l'oxyde de cuivre (CuO₂) plan. Le CDW est un motif d'électrons répété en forme d'onde qui affecte la conductivité du matériau. Cette rupture de symétrie est importante car on sait que la supraconductivité apparaît à l'intérieur ou à proximité d'états de symétrie brisée. De plus, dans le supraconducteur cuprate à base de bismuth, Bi₂Sr_2-xLa_XCuO_6+δ (Bi2201), il a été démontré que des champs magnétiques puissants peuvent induire un ordre CDW brisant la symétrie à longue portée. Malgré des recherches approfondies, le rôle exact de ces phénomènes dans l'apparition de la supraconductivité dans les cuprates n'est toujours pas connu.

Dans une nouvelle étude, une équipe de chercheurs dirigée par le professeur associé Shinji Kawasaki du département de physique de l'université d'Okayama, au Japon, a étudié l'origine de la supraconductivité à haute température dans l'état pseudogap des cuprates en utilisant une nouvelle approche. Le professeur Kawasaki explique : « Dans cette étude, nous avons découvert l'existence d'un ordre CDW à longue portée dans le Bi2201 dopé de manière optimale, induit par une contrainte de traction-compression appliquée par une nouvelle cellule de contrainte uniaxiale à entraînement piézoélectrique, qui brise délibérément la symétrie cristalline du CuO₂ avion. » Leurs conclusions ont été publiées dans la revue Nature Communications le 14 juin 2024. L'équipe comprenait Mme Nao Tsukuda et le professeur Guo-qing Zheng, également de l'Université d'Okayama, et le Dr Chengtian Lin du Max-Planck-Institut fur Festkorperforschung, en Allemagne.

Découvertes et implications

Les chercheurs ont utilisé la technique de résonance magnétique nucléaire (RMN) pour observer les changements dans la structure électronique du supraconducteur Bi2201 dopé de manière optimale lorsque des contraintes de compression et de traction uniaxiales ont été appliquées au matériau. Les résultats ont révélé que lorsque la contrainte dépassait 0,15 %, le matériau subissait une transformation significative, l'ordre CDW à courte portée passant à un ordre CDW à longue portée. De plus, l'augmentation de la contrainte supprimait la supraconductivité tout en augmentant l'ordre CDW, ce qui indique que la supraconductivité et le CDW à longue portée peuvent coexister. Ces résultats suggèrent qu'un ordre CDW à longue portée caché, non limité au régime faiblement dopé, existe dans l'état pseudogap des cuprates, qui devient apparent sous contrainte.

« Cette découverte remet en cause la croyance conventionnelle selon laquelle le magnétisme est le principal moteur des oxydes de cuivre et fournit des informations précieuses pour la construction de modèles théoriques de supraconductivité », remarque le professeur Kawasaki. Soulignant les applications potentielles de cette étude, il ajoute : « Les résultats de cette étude sont extrêmement prometteurs pour élucider les mécanismes sous-jacents de la supraconductivité à haute température, ouvrant la voie au développement de matériaux supraconducteurs plus pratiques. Les supraconducteurs à haute température offrent un grand potentiel pour la transmission et le stockage d'énergie sans perte, contribuant de manière significative à la conservation de l'énergie et à la poursuite de la neutralité carbone. En outre, l'application des supraconducteurs à la technologie IRM a le potentiel de réduire les coûts et de rendre l'imagerie médicale avancée plus accessible. »

Dans l’ensemble, cette étude marque une étape importante vers la compréhension de l’origine de la supraconductivité à haute température, soulignant l’importance de la contrainte uniaxiale comme outil précieux pour comprendre la supraconductivité dans d’autres supraconducteurs similaires.

L'étude a été financée par JSPS KAKENHI et la Murata Science and Education Foundation (SK).