13.08.2014

Nouvelles découvertes sur la supraconductivité à haute température

Des chercheurs du monde entier tentent de déchiffrer le phénomène de supraconductivité à haute température. Les modifications dans la symétrie des phases électromagnétiques aux environs de la température de transition pourraient être une clé. D’infimes impuretés leur avaient jusque-là été attribuées. Une équipe internationale de chercheurs a maintenant découvert à travers une expérience de dispersion de neutrons que ces modifications sont à elles seules à l’origine de la dynamique du spin des électrons.

Les électrons possèdent un moment cinétique électromagnétique, appelé le spin. Le couplage de nombreux spins permet la formation de zones électromagnétiques dans un cristal avec une direction de prédilection du spin, appelé les phases nématiques. Beaucoup de chercheurs y voient une clé pour la compréhension du phénomène de la supraconductivité à haute température. Les supraconducteurs transportent de l’énergie électrique en-dessous d’une certaine température, appelée température de transition, presque sans aucune perte. Pour les meilleurs des supraconducteurs à haute température, cette température se situe à environ -180°C, une température déjà atteignable avec de l’azote liquide.

Effet de dopage contre dynamique de spin

En se basant sur des recherches antérieures, un groupe de scientifiques a supposé que d’infimes impuretés sont responsables de la formation des phases nématiques. L’effet peut être comparé avec des semi-conducteurs, qui ne deviennent capables de conductivité qu’une fois dotés d’infimes impuretés. Le docteur Jitae Park, chercheur à l’Université technique de Munich (TUM), et ses collègues du Laboratoire national de Pékin pour la physique de la matière condensée et du département de physique et d’astronomie de la Rice University, au Texas, ont maintenant montré que ce n’était pas le cas. A l’aide du spectromètre à trois axes Puma, au Centre Heinz Maier-Leibnitz de Garching, les chercheurs ont examiné à différentes températures et avec adjonction d’une infime quantité de nickel des échantillons d’un supraconducteur à haute température ferrugineux. Ils ont constaté que l’apparition de la phase nématique n’avait aucun lien direct avec la «souillure» par le nickel.

La création des phases nématiques dépendrait plutôt très fortement des modifications collectives du spin des électrons. Elles apparaissent clairement au-dessus de la température de transition, à laquelle intervient la supraconductivité. Au moment où la supraconductivité atteint son maximum, les phases nématiques disparaissent complètement.

«Notre expérience a montré que la supraconductivité à haute température ne repose pas sur un effet de dopage, mais est l’expression d’une orientation de prédilection des mouvements des électrons brusquement modifiée», déclare M. Park, qui a réalisé l’expérience à la source neutronique de recherche (FRM II) de la TUM. Il conclut: «La recherche peut ainsi à l’avenir se concentrer sur la relation entre la dynamique de spin dans les phases nématiques et la supraconductivité à haute température.»

Mise en place de l’expérience

Les expériences de dispersion sur le magnétisme sont extrêmement complexes, car elles demandent la plupart du temps de nombreuses expériences sur différentes sources neutroniques dans le monde pour obtenir des données complètes, explique la TUM. Dans ce cas, les données mesurées ont été obtenues sur le spectromètre Puma à travers une série d’expériences réalisées dans le temps record de quatre semaines seulement. Le matériau choisi par les chercheurs pour réaliser les expériences était un pnictide à base de fer, un composé de fer, de baryum et d’arsenic, adjoint de petites quantités de nickel. Dans des conditions normales, cette matière forme des cristaux jumeaux sur lesquels des phases nématiques n’auraient pas pu être mesurées. «La pression permet certes d’empêcher la formation des jumeaux, mais cela ne nous a permis d’utiliser que de très petits cristaux», explique M. Park. La source neutronique de recherche de Garching disposant d’un très haut flux de neutrons, les scientifiques ont décidé de réaliser l’expérience sur le FRM II.

Le spectromètre à trois axes Puma du Centre Heinz Maier-Leibnitz, à Garching, a permis à Jitae Park (sur la photo) et à ses collègues de recherche de clarifier une importante question sur la supraconductivité.
Source: Volker Lannert / DAAD
Source: 
M.B./T.M. d’après un communiqué de presse de la TUM du 31 juillet 2014