Une nouvelle étude affirme que la loi de Wiedemann-Franz, reliant la conductivité électronique et thermique, est toujours valable pour les supraconducteurs à base d’oxyde de cuivre. La recherche suggère que les divergences dans les matériaux quantiques proviennent de facteurs non électroniques tels que les vibrations du réseau. Cette découverte est importante pour la compréhension des supraconducteurs non conventionnels et pourrait conduire à des progrès dans ce domaine.
Ce résultat surprenant est important pour comprendre les supraconducteurs non conventionnels et d’autres matériaux dans lesquels les électrons se regroupent pour agir collectivement.
Bien avant que les chercheurs ne découvrent l’électron et son rôle dans la génération de courant électrique, ils connaissaient l’électricité et exploraient son potentiel. Une chose qu’ils ont appris très tôt, c’est que les métaux étaient d’excellents conducteurs d’électricité et de chaleur.
Découverte de la loi Wiedemann-Franz
En 1853, deux scientifiques ont montré que ces deux propriétés admirables des métaux étaient liées d’une manière ou d’une autre : à toute température donnée, le rapport entre la conductivité électronique et la conductivité thermique était à peu près le même dans tous les métaux testés. Cette loi dite de Wiedemann-Franz est toujours en vigueur – sauf dans les matériaux quantiques, où les électrons cessent de se comporter comme des particules individuelles et se regroupent pour former une sorte de soupe électronique. Des mesures expérimentales ont indiqué que la loi vieille de 170 ans s’effondre dans ces matériaux quantiques, et dans une large mesure.
Une illustration montre des électrons en forte interaction transportant de la chaleur et des charges depuis les régions les plus chaudes vers les régions les plus froides d’un matériau quantique. Une étude théorique menée par le SLAC, Stanford et l’Université de l’Illinois a révélé que le rapport entre le transport de chaleur et le transport de charge dans les cuprates – des matériaux quantiques comme celui-ci, dans lesquels les électrons se regroupent et agissent en coopération – devrait être similaire au rapport dans les métaux normaux. où les électrons se comportent comme des individus. Ce résultat surprenant renverse l’idée selon laquelle la loi Wiedemann-Franz, vieille de 170 ans, ne s’applique pas aux matériaux quantiques. Crédit : Greg Stewart/SLAC National. Laboratoire d’accélérateurs
Nouvelles perspectives sur les matériaux quantiques
Aujourd’hui, un argument théorique avancé par des physiciens du laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l’Énergie, de l’université de Stanford et de l’université de l’Illinois suggère que la loi devrait, en fait, s’appliquer approximativement à un type de matériau quantique : les supraconducteurs à base d’oxyde de cuivre, ou les cuprates, qui conduisent l’électricité sans perte à des températures relativement élevées.
Dans un article publié dans la revue Science le 30 novembre, ils proposent que la loi de Wiedemann-Franz soit toujours valable si l’on considère uniquement les électrons des cuprates. Ils suggèrent que d’autres facteurs, tels que les vibrations dans le réseau atomique du matériau, doivent expliquer les résultats expérimentaux qui donnent l’impression que la loi ne s’applique pas.
Comprendre les supraconducteurs non conventionnels
Ce résultat surprenant est important pour comprendre les supraconducteurs non conventionnels et autres matériaux quantiques, a déclaré Wen Wang, auteur principal de l’article et doctorant à l’Institut de Stanford pour les sciences des matériaux et de l’énergie (SIMES) du SLAC.
« La loi originale a été développée pour les matériaux dans lesquels les électrons interagissent faiblement les uns avec les autres et se comportent comme de petites boules qui rebondissent sur les défauts du réseau du matériau », a expliqué Wang. « Nous voulions tester la loi théoriquement dans des systèmes où aucune de ces choses n’était vraie. »
Éplucher un oignon quantique
Les matériaux supraconducteurs, qui transportent le courant électrique sans résistance, ont été découverts en 1911. Mais ils fonctionnaient à des températures si extrêmement basses que leur utilité était très limitée.
Cela a changé en 1986, lorsque la première famille de supraconducteurs dits à haute température ou non conventionnels – les cuprates – a été découverte. Bien que les cuprates nécessitent encore des conditions extrêmement froides pour exercer leur magie, leur découverte a fait naître l’espoir que les supraconducteurs pourraient un jour fonctionner à une température beaucoup plus proche de la température ambiante, rendant possible des technologies révolutionnaires telles que les lignes électriques sans perte.
Après près de quatre décennies de recherche, cet objectif reste insaisissable, même si de nombreux progrès ont été réalisés dans la compréhension des conditions dans lesquelles les états supraconducteurs apparaissent et disparaissent.
Rôle des études théoriques et du modèle Hubbard
Les études théoriques, réalisées à l’aide de puissants superordinateurs, ont été essentielles pour interpréter les résultats des expériences sur ces matériaux et pour comprendre et prédire des phénomènes hors de portée expérimentale.
Pour cette étude, l’équipe SIMES a effectué des simulations basées sur ce que l’on appelle le modèle Hubbard, devenu un outil essentiel pour simuler et décrire des systèmes dans lesquels les électrons cessent d’agir de manière indépendante et unissent leurs forces pour produire des phénomènes inattendus.
Les résultats montrent que lorsque l’on prend uniquement en compte le transport des électrons, le rapport entre la conductivité électronique et la conductivité thermique se rapproche de ce que prédit la loi de Wiedemann-Franz, a déclaré Wang. « Ainsi, les divergences observées lors des expériences devraient provenir d’autres éléments tels que les phonons ou les vibrations du réseau, qui ne figurent pas dans le modèle Hubbard », a-t-elle déclaré.
Orientations futures de la recherche
Brian Moritz, scientifique du SIMES et co-auteur de l’article, a déclaré que même si l’étude n’a pas étudié comment les vibrations provoquent ces divergences, « d’une manière ou d’une autre, le système sait toujours qu’il existe cette correspondance entre la charge et le transport de chaleur entre les électrons. C’était le résultat le plus surprenant.
À partir de là, a-t-il ajouté, « peut-être pouvons-nous éplucher l’oignon pour comprendre un peu plus ».
Le financement majeur de cette étude est venu du Bureau des sciences du DOE. Des travaux informatiques ont été effectués à l’Université de Stanford et sur les ressources du National Energy Research Scientific Computing Center, qui est un établissement utilisateur du DOE Office of Science.
