Lorsque les supraconducteurs ont été découverts en 1911, ils ont étonné les chercheurs ayant leur capacité à conduire de l'électricité sans résistance. Cependant, ils ne pouvaient le faire qu'à des températures proches du zéro absolu. Mais en 1986, les scientifiques ont découvert que les cupates (une classe d'oxydes de cuivre) étaient supraconductrices à un à un à un azote liquide relativement chaud (au-dessus de l'azote liquide) – un pas vers l'objectif ultime d'un supraconducteur qui pourrait fonctionner à près de la température ambiante.
Les applications d'un tel supraconducteur comprennent des machines IRM compactes et portables, des trains à lévitation, une transmission électrique à longue portée sans perte de puissance et des bits quantiques plus résilients pour les ordinateurs quantiques. Malheureusement, les cupates sont un type de matériau en céramique qui rend leur application à des échelles industrielles – leur fragilité, par exemple, poserait des problèmes.
Cependant, si les chercheurs pouvaient comprendre ce qui les rend supraconiques à des températures aussi élevées, ils pourraient recréer de tels processus dans d'autres matériaux. Malgré beaucoup de recherches, cependant, il y a toujours un manque de consensus sur le mécanisme microscopique conduisant à leur supraconductivité inhabituelle, ce qui rend difficile de profiter de leurs propriétés inhabituelles.
« Il y a beaucoup d'excitation à leur sujet, mais il a été très difficile de comprendre ce qui les fait vibrer. Comme dans, pourquoi les températures critiques pour la supraconductivité sont-elles si élevées? » a déclaré Sohrab Ismail-Beigi, professeur de physique appliquée à Strathcona.
« Il n'y a pas de consensus clair sur une compréhension microscopique détaillée de la façon dont la structure de ces matériaux est liée aux propriétés. Il y a encore de nombreuses inconnues sur ces matériaux, même si les gens les étudient depuis environ 30 ans. »
Dans une nouvelle étude, Zheting Jin, un étudiant supérieur diplômé chez Ismail-Beigi, a utilisé ensemble de nouvelles méthodologies pour mieux comprendre certaines connexions de structure de structure clés dans les matériaux. Les résultats sont publiés dans Revue physique x.
L'une des raisons pour lesquelles il est si difficile de comprendre les cupates, a déclaré Ismail-Beigi, c'est qu'ils sont si structurellement complexes. Les chercheurs avaient créé des modèles simplifiés de ces matériaux, mais ces modèles simples n'ont souvent pas fourni beaucoup d'informations précieuses ou fiables.
Pour obtenir une image plus claire du fonctionnement des cuprates, Ismail-Beigi et Jin utilisent ce que l'on appelle la « théorie fonctionnelle de la densité » pour explorer la signification de la complexité structurelle dans les cuprates en dépeignant avec précision les propriétés structurelles, électroniques et magnétiques clés de ces matériaux. Ce faisant, « nous résolvons plusieurs énigmes de longue date dans ce matériel ».
« Pouvez-vous utiliser cette théorie pour prédire de nombreuses propriétés de cuprates? La réponse est oui », a déclaré Ismail-Beigi. « Vous devez simplement faire deux choses. L'une d'entre elles est d'utiliser une méthodologie à jour pour le calcul. La chose la plus importante est d'inclure la structure compliquée du matériau, car c'est important. »
Les cuprates sont intéressantes à la fois pour les sciences de base et appliquées. Les ingénieurs, a-t-il dit, veulent savoir comment ils peuvent augmenter les températures supraconductrices de cuprates. Les physiciens veulent savoir, d'un point de vue scientifique fondamental, pourquoi les cuprates sont de si bons supraconducteurs. Une clé du succès, a-t-il dit, est de prendre en compte la complexité des structures.
« Qu'est-ce que la sauce magique? Si vous pouvez très bien décrire la structure complexe des matériaux et voir quels motifs structurels donnent naissance à quelles propriétés physiques, cela nous aidera peut-être à déterminer ce qui fait vibrer les cuprates », a-t-il déclaré. « La structure est compliquée et influence les propriétés de manière importante. »
Il est également essentiel pour les théoriciens et les expérimentateurs de travailler ensemble. Ismail-Beigi a déclaré que son laboratoire travaille actuellement en étroite collaboration sur le problème de Cuprate avec plusieurs équipes de recherche, y compris des groupes expérimentaux du département de physique appliquée de Yale ainsi qu'avec des théoriciens qui utilisent des méthodes complémentaires, à l'Université de Californie à Irvine.
«Je pense que c'est à quoi ressemblera l'avenir pour la prochaine décennie. Nous ferons des simulations détaillées de ces matériaux complexes à partir des premiers principes, puis nous ferons beaucoup de tardifs avec d'autres théoriciens et expérimentateurs pour se retirer lentement de ce problème. «
