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La supraconductivité révèle ses secrets

Les supraconducteurs n'offrent aucune résistance au passage de l'électricité et représentent l'une des grandes difficultés de l'exploration scientifique. Les limites de la supraconductivité n'ont pas encore été atteintes, mais des scientifiques financés par l'UE ont conçu une nouvelle théorie pour expliquer certains comportements des supraconducteurs.
La supraconductivité révèle ses secrets
Les propriétés électroniques dans les matériaux supraconducteurs à haute température impliquent l'absence du comportement classique de liquide de Fermi, le modèle standard des électrons dans les métaux. Cependant, des oxydes de cuivre (des cuprates) s'approchent de ce comportement classique en présence d'une grande proportion de trous. Les trous sont des zones 'vides' dans le réseau cristallin des semi-conducteurs, de charge positive, où l'augmentation de la température libère des électrons.

Récemment, des chercheurs du projet USSU («Unconventional superconductors: from synthesis to understanding») ont étudié les propriétés inhabituelles de plusieurs composés de cuprates. Ces matériaux se présentent selon plusieurs phases: isolante, métallique anormale, supraconductrice et métallique normale. Le fait de comprendre comment ces phases apparaissent et coexistent éclaircirait la physique sous-jacente.

C'est dans ce but que l'équipe du projet USSU a cherché à comprendre le diagramme de phase des cuprates. L'une des principales difficultés vient du petit nombre de composés dont toutes les phases peuvent être dopées chimiquement. Une autre difficulté était de comprendre les détails et l'importance de la 'pseudo bande' du côté sous-dopé de la phase supraconductrice. De nombreux travaux ont été entrepris pour comprendre si cette phase favorise la supraconductivité.

Le projet USSU s'est intéressé à des cuprates dopés par des trous, car ils présentent la température de transition la plus élevée. La découverte la plus révolutionnaire a probablement été celle du comportement de type liquide de Fermi de cristaux de haute qualité de Hg1201 (HgBa2CuO4+δ). Les chercheurs ont conclu que même des cuprates de structures plus complexes, comme Y123 (YBa2Cu3O7-x), YBa2Cu4O8 (Y124) et Tl2Ba2CuO6 (Tl-2201), sont en fait des liquides de Fermi nodaux.

La suppression de la pseudo bande a permis de comparer leurs propriétés anormales avec celles des équivalents dopés par des trous, et de déterminer les points communs. L'équipe d'USSU a découvert des caractéristiques indépendantes de la pseudo bande, et démontré expérimentalement que la résistance dépend de la température. Les expériences ont aussi confirmé la résistivité de l'état métallique normal, de type liquide de Fermi, qui entoure la phase supraconductrice.

Au cours de ces expériences, les chercheurs d'USSU ont découvert un comportement quantique remarquable des propriétés physiques en fonction de la température et de la proportion de trous. Il ne survient pas dans les métaux normaux, à cause de la limite d'énergie plus haute du système d'électrons, l'énergie de Fermi. C'est aussi une indication d'un changement majeur dans le diagramme de phases d'autres cuprates.

Les résultats du projet pourraient être utiles dans d'autres domaines de la recherche ainsi que pour les utilisations des supraconducteurs. Le fait de mieux comprendre la supraconductivité des cuprates à haute température pourrait permettre de fabriquer de nouveaux composés via la cristallographie. Ils pourraient présenter une température de transition plus élevée, intéressante pour les utilisations en électricité, électronique et communication à la température ambiante.

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Mots-clés

Supraconducteur, électricité, cuprates, liquide de Fermi, électrons, trous, cristal, électronique, communications