De nouvelles possibilités découvertes pour la supraconductivité à température ambiante

Pour étudier les matériaux supraconducteurs dans leur état “normal”, non supraconducteur, les scientifiques désactivent généralement la supraconductivité en exposant le matériau à un champ magnétique, à gauche. Les scientifiques du SLAC ont découvert que la désactivation de la supraconductivité par un flash de lumière, à droite, produit un état normal avec une physique fondamentale très similaire qui est également instable et peut accueillir de brefs éclairs de supraconductivité à température ambiante. Ces résultats ouvrent une nouvelle voie vers la production de supraconductivité à température ambiante suffisamment stable pour les dispositifs pratiques. Crédit : Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

Les scientifiques découvrent que le déclenchement de la supraconductivité par un flash de lumière fait intervenir les mêmes principes de physique fondamentale que ceux qui sont à l’œuvre dans les états plus stables nécessaires aux dispositifs, ouvrant ainsi une nouvelle voie vers la production de supraconductivité à température ambiante.

Les chercheurs peuvent en apprendre davantage sur un système en le poussant dans un état légèrement instable – les scientifiques parlent de “déséquilibre” – puis en observant ce qui se passe lorsqu’il revient à un état plus stable, tout comme les gens peuvent en apprendre davantage sur eux-mêmes en sortant de leur zone de confort.

Des expériences menées sur le matériau supraconducteur qu’est l’oxyde d’yttrium, de baryum et de cuivre, ou YBCO, ont montré que, dans certaines conditions, le fait de le déséquilibrer à l’aide d’une impulsion laser lui permet de devenir supraconducteur – c’est-à-dire de conduire le courant électrique sans perte – à une température beaucoup plus proche de la température ambiante que ne le prévoyaient les chercheurs. Étant donné que les scientifiques travaillent sur les supraconducteurs à température ambiante depuis plus de trente ans, il pourrait s’agir d’une percée importante.

Mais les observations de cet état instable ont-elles un rapport avec la façon dont les supraconducteurs à haute température pourraient fonctionner dans le monde réel, où des utilisations telles que les lignes électriques, les trains à sustentation magnétique, les accélérateurs de particules et les équipements médicaux exigent leur stabilité ?

Une étude publiée dans Science Advances aujourd’hui suggère que la réponse est oui.

“Les gens pensaient que même si ce type d’étude était utile, il n’était pas très prometteur pour les applications futures”, a déclaré Jun-Sik Lee, un scientifique du personnel du SLAC National Accelerator Laboratory du Département de l’énergie et chef de l’équipe de recherche internationale qui a réalisé l’étude.

“Mais maintenant, nous avons montré que la physique fondamentale de ces états instables est très similaire à celle des états stables. Cela ouvre donc d’énormes possibilités, notamment la possibilité de faire passer d’autres matériaux à un état supraconducteur transitoire grâce à la lumière. C’est un état intéressant que nous ne pouvons voir d’aucune autre manière”.

Jun-Sik Lee, chercheur au SLAC. Crédit : Jun-Sik Lee/SLAC National Accelerator Laboratory

A quoi ressemble la normalité ?

L’YBCO est un composé d’oxyde de cuivre, également connu sous le nom de cuprate, et fait partie d’une famille de matériaux découverts en 1986 qui conduisent l’électricité avec une résistance nulle à des températures bien plus élevées que ce que les scientifiques avaient considéré comme possible auparavant.

Comme les supraconducteurs classiques, découverts plus de 70 ans auparavant, l’YBCO passe d’un état normal à un état supraconducteur lorsqu’il est refroidi en dessous d’une certaine température de transition. À ce moment-là, les électrons s’associent et forment un condensat – une sorte de soupe d’électrons – qui conduit l’électricité sans effort. Les scientifiques disposent d’une théorie solide sur la façon dont cela se produit dans les supraconducteurs classiques, mais il n’y a toujours pas de consensus sur la façon dont cela fonctionne dans les supraconducteurs non conventionnels comme l’YBCO.

Une façon d’aborder le problème est d’étudier l’état normal de l’YBCO, qui est très étrange en soi. L’état normal contient un certain nombre de phases complexes et imbriquées de la matière, chacune ayant le potentiel d’aider ou d’entraver la transition vers la supraconductivité, qui se bousculent pour dominer et parfois se chevauchent. Qui plus est, dans certaines de ces phases, les électrons semblent se reconnaître et agir collectivement, comme s’ils se traînaient les uns les autres.

C’est un véritable enchevêtrement, et les chercheurs espèrent que le fait de mieux le comprendre permettra de comprendre comment et pourquoi ces matériaux deviennent supraconducteurs à des températures beaucoup plus élevées que la limite théorique prévue pour les supraconducteurs classiques.

Il est difficile d’explorer ces états normaux fascinants aux températures chaudes auxquelles ils se produisent, c’est pourquoi les scientifiques refroidissent généralement leurs échantillons d’YBCO jusqu’au point où ils deviennent supraconducteurs, puis désactivent la supraconductivité pour rétablir l’état normal.

La commutation s’effectue généralement en exposant le matériau à un champ magnétique. Il s’agit de laCette approche est très appréciée car elle laisse le matériau dans une configuration stable, celle dont on a besoin pour créer un dispositif pratique.

Selon M. Lee, la supraconductivité peut également être désactivée par une impulsion de lumière. Cela crée un état normal un peu déséquilibré, où des choses intéressantes peuvent se produire, d’un point de vue scientifique. Mais le fait qu’il s’agisse d’un état instable a incité les scientifiques à se méfier de l’hypothèse selon laquelle tout ce qu’ils apprennent dans ce domaine peut également être appliqué à des matériaux stables, comme ceux qui sont nécessaires pour les applications pratiques.

Des ondes qui ne bougent pas

Dans cette étude, Lee et ses collaborateurs ont comparé les deux approches de commutation – champs magnétiques et impulsions lumineuses – en se concentrant sur la façon dont elles affectent une phase particulière de la matière connue sous le nom d’ondes de densité de charge, ou CDW, qui apparaît dans les matériaux supraconducteurs. Les CDW sont des motifs ondulatoires de densité électronique plus ou moins élevée, mais contrairement aux vagues de l’océan, ils ne se déplacent pas.

Des CDW bidimensionnels ont été découverts en 2012, et en 2015, Lee et ses collaborateurs ont découvert un nouveau type de CDW en 3D. Ces deux types sont intimement liés à la supraconductivité à haute température et peuvent servir de marqueurs du point de transition où la supraconductivité s’active ou se désactive.

Afin de comparer l’aspect des CDW dans l’YBCO lorsque sa supraconductivité est désactivée par la lumière ou par le magnétisme, l’équipe de recherche a réalisé des expériences avec trois sources de lumière à rayons X. Les résultats de ces expériences sont les suivants

Tout d’abord, ils ont mesuré les propriétés du matériau non perturbé, y compris ses ondes de densité de charge, au Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) de SLAC.

Ensuite, des échantillons du matériau ont été exposés à des champs magnétiques élevés à l’installation synchrotron SACLA au Japon et à la lumière laser au laser à électrons libres à rayons X du Pohang Accelerator Laboratory (PAL-XFEL) en Corée, afin que les changements dans leurs ondes de densité de charge puissent être mesurés.

“Ces expériences ont montré que l’exposition des échantillons au magnétisme ou à la lumière générait des motifs 3D similaires de CDW”, a déclaré Sanghoon Song, chercheur au SLAC et co-auteur de l’étude. Bien que l’on ne comprenne pas encore comment et pourquoi cela se produit, a-t-il ajouté, les résultats démontrent que les états induits par l’une ou l’autre approche ont la même physique fondamentale. Et ils suggèrent que la lumière laser pourrait être un bon moyen de créer et d’explorer des états transitoires qui pourraient être stabilisés pour des applications pratiques – y compris, potentiellement, la supraconductivité à température ambiante.

Des chercheurs du Pohang Accelerator Laboratory et de l’Université des sciences et de la technologie de Pohang en Corée ; de l’Université Tohoku, de RIKEN Super P& ; lt;/u>hoton ring& ; gt;-8 GeV&quot ;. Il appartient à RIKEN et est situé à Harima Science Garden City, dans la préfecture de Hyogo, au Japon.