Un comportement extraordinaire pour un matériau extraordinaire
Les scientifiques du projet IMAX (Improvement of materials with X-rays) ont utilisé la micro diffraction à balayage X pour étudier les changements subtils dans la structure d'un cuprate supraconducteur, à haute température. Ils ont ainsi pu déterminer très en détail la répartition des électrons. Au lieu des bandes régulières qu'ils attendaient, les scientifiques ont observé un patchwork d'amas de particules, de formes et tailles variées. D'autres travaux ont révélé que la densité des amas était associée à la quantité de dopage requis pour créer ce supraconducteur. Pour compliquer les choses, la taille des amas suivait une loi en puissance, suggérant une formation de type fractale. Cette auto-organisation fractale présente des ressemblances frappantes avec l'hétérogénéité spatiale d'autres cuprates supraconducteurs à basse température. Ces résultats suggèrent que le chemin vers la compréhension de la supraconductivité pourrait être bien plus complexe qu'on ne l'espérait. Ils ouvrent également des possibilités encore inexplorées. Les supraconducteurs sont des systèmes qui permettent de réconcilier la mécanique quantique avec les lois de la physique classique. C'est ainsi que les champs magnétiques pénètrent les matériaux supraconducteurs en formant de petits tourbillons, qui présentent à la fois des propriétés quantiques et classiques. Ceci a conduit les scientifiques du projet IMAX à les étudier, afin d'éclaircir l'un des phénomènes les plus énigmatiques de la physique de la matière condensée: la transition de Mott. Ce phénomène complexe dépend des interactions de nombreuses particules quantiques, et sa nature classique ou quantique est incertaine. De plus, la transition de Mott est une transition de phase depuis un état isolant vers un état métallique, induite par le passage d'un courant électrique dans le matériau, et n'a jamais été observée directement. Les scientifiques ont donc fabriqué un système de 90 000 îlots nanométriques supraconducteurs de niobium, déposés sur une couche d'or. Dans cette configuration, les tourbillons se sont installés dans des creux d'énergie, conduisant le matériau à se comporter comme un isolant de Mott. En appliquant un courant assez intense, les scientifiques ont observé directement une transition de Mott dynamique, le système se transformant en un métal conducteur. Ils ont ainsi induit une transition de phase depuis un état où les tourbillons verrouillés deviennent mobiles, le courant ayant déplacé le matériau hors de son équilibre. Ce système suit la physique classique et se prête donc aisément aux expériences. Il peut servir à améliorer la compréhension des états physiques hors équilibre. Il est intéressant de noter que de telles transitions abruptes de phase s'observent aussi dans des couches complexes d'oxyde lorsque l'on augmente leur épaisseur. L'équipe d'IMAX a fait croître par dépôt laser à impulsions des couches d'un oxyde de type pérovskite, sur un matériau non magnétique. En ajoutant une sixième couche de l'oxyde, le matériau (jusque-là anti-ferromagnétique) est devenu ferromagnétique. Une telle transition abrupte n'avait jamais été constatée. Les scientifiques s'attendent à ce que cette caractéristique exceptionnelle de l'oxyde pérovskite soit limitée à des changements dans l'épaisseur de la couche, mais qu'elle puisse dépendre d'autres manipulations comme l'application de champs électriques. D'autres travaux sont en cours afin d'utiliser cet effet dans l'informatique et la détection.
Mots‑clés
Supraconducteur, IMAX, X-ray, cuprate, transition de Mott, oxyde de type pérovskite
