Supraconductivité induite par la lumière : une nouvelle frontière en physique quantique

Les chercheurs ont développé des méthodes pour explorer et utiliser la supraconductivité dans des états hors équilibre, tels que ceux induits par des impulsions laser, à des températures bien supérieures à celles auxquelles fonctionnent les supraconducteurs traditionnels.

Il a été démontré que cette supraconductivité induite par la lumière reproduit des caractéristiques cruciales telles que la résistance électrique nulle et l’expulsion des champs magnétiques, suggérant des applications potentielles dans les dispositifs à grande vitesse et étendant la supraconductivité aux températures ambiantes.

La supraconductivité est un phénomène remarquable qui permet à un matériau de véhiculer un courant électrique sans perte. Ce comportement quantique collectif est propre à certains conducteurs et ne se produit qu'à des températures nettement inférieures à la température ambiante.

Plusieurs études récentes ont étudié ce comportement dans des états dits hors équilibre, c'est-à-dire dans des situations où le matériau est éloigné de l'équilibre thermique. Dans ces conditions, il semble qu'au moins certaines des caractéristiques de la supraconductivité puissent être recréées même à température ambiante. Une telle supraconductivité à haute température hors équilibre, dont l'existence a été démontrée sous irradiation par une impulsion laser, peut être utile pour des applications différentes de celles envisagées pour la version stationnaire de la supraconductivité, comme par exemple dans les dispositifs à grande vitesse contrôlés par des impulsions laser.

Supraconductivité induite par la lumière

Ce phénomène a été appelé « supraconductivité induite par la lumière », signalant une analogie avec son homologue à l’équilibre.

Une frontière importante au cours de la dernière décennie a été de caractériser les propriétés d’un tel état supraconducteur induit par la lumière et de comprendre dans quelle mesure cette phase reproduit les propriétés connues d’un supraconducteur conventionnel.

En plus de leur capacité à transporter des courants électriques sans perte, les supraconducteurs sont également connus pour expulser les champs magnétiques de leur intérieur. Ce phénomène, connu dans les conditions d'équilibre sous le nom d'effet Meissner, est une conséquence directe de la cohérence mutuelle des porteurs de charge et de leur tendance à marcher au pas. Cependant, mesurer l'expulsion des champs magnétiques pour la supraconductivité induite par la lumière est un défi, car l'effet ne persiste que quelques picosecondes (un milliardième de seconde), ce qui rend impossible la mesure précise des variations du champ magnétique.

Avancées dans les mesures du champ magnétique

Une équipe de chercheurs de l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière (MPSD) à Hambourg, en Allemagne, dirigée par Andrea Cavalleri, a développé une nouvelle expérience capable de surveiller les propriétés magnétiques des supraconducteurs à des vitesses très élevées. Ils ont travaillé sur du YBa irradié par laser₂Cu₃O_6+xun composé pour lequel la supraconductivité statique n'est observée que jusqu'à environ −200 degrés Celsius. « Nous avons découvert que YBa photo-excité₂Cu₃O_6.48en plus de présenter une résistance proche de zéro, expulse également un champ magnétique statique de son intérieur », explique Sebastian Fava, auteur de l'article désormais publié dans Nature.

Aperçu du comportement des matériaux sous la lumière

Cette expérience a été rendue possible en plaçant un cristal spectateur à proximité immédiate de l'échantillon étudié et en l'utilisant pour mesurer l'intensité du champ magnétique local. Le cristal reflète les changements du champ magnétique en changements de l'état de polarisation d'une impulsion laser femtoseconde. « En raison de la courte durée de l'impulsion de la sonde, nous pouvons reconstituer l'évolution temporelle du champ magnétique entourant l'YBa₂Cu₃O_6.48« Nous avons réussi à obtenir un échantillon avec une résolution inférieure à la picoseconde et une sensibilité sans précédent », explique Giovanni de Vecchi, l'un des co-auteurs.

Implications pour les matériaux supraconducteurs

« L'expulsion du champ magnétique photo-induit que nous avons observée est comparable en taille à celle mesurée lorsque YBa₂Cu₃O_6+x « Le refroidissement rend le matériau supraconducteur à l’équilibre », ajoute Michele Buzzi, coauteure. « Cela suggère que le fait de forcer le matériau pourrait même être une voie efficace pour rapprocher ses propriétés supraconductrices des conditions ambiantes », poursuit Gregor Jotzu, coauteur, aujourd’hui professeur à l’EPFL et directeur du Laboratoire de matériaux quantiques dynamiques. En tant que consensus sur l’origine microscopique de la supraconductivité induite par la lumière dans YBa₂Cu₃O_6.48 est toujours manquant, ces résultats constituent une référence importante pour les théories actuelles.

Potentiel de la supraconductivité photo-excitée

Dans YBa₂Cu₃O_6+xl'ordre supraconducteur ne disparaît pas complètement au-dessus de la température de transition supraconductrice d'équilibre et un ordre supraconducteur fluctuant local demeure, quelque peu similaire à un état désordonné. Ces découvertes révolutionnaires suggèrent que la photo-excitation de YBa₂Cu₃O_6+xDes impulsions lumineuses adaptées peuvent être utilisées pour synchroniser cet état fluctuant et restaurer l'ordre supraconducteur à des températures bien supérieures à celles auxquelles le matériau devient supraconducteur à l'équilibre, jusqu'à la température ambiante.

Les recherches menées au MPSD ont reçu le soutien financier de la Deutsche Forschungsgemeinschaft via le Cluster of Excellence CUI : Imagerie avancée de la matièreLe MPSD est membre du Center for Free-Electron Laser Science (CFEL), une entreprise commune avec DÉSY et de l'Université de Hambourg. Les recherches ont été menées en étroite collaboration avec des scientifiques de l'Institut Max Planck de recherche sur le solide (MPI-FKF).