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.
Tout comme les gens peuvent apprendre à mieux se connaître en sortant de leur zone de confort, les chercheurs peuvent en apprendre davantage sur un système en lui donnant une secousse qui le rend un peu instable – les scientifiques appellent cela “hors équilibre” – et en observant ce qui se passe lorsqu’il revient à un état plus stable.
Dans le cas d’un matériau supraconducteur connu sous le nom d’oxyde d’yttrium, de baryum et de cuivre (YBCO), des expériences ont montré que, dans certaines conditions, le fait de le déséquilibrer à l’aide d’une impulsion laser lui permet d’être 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. Il s’agit là d’un événement important, puisque les scientifiques cherchent à mettre au point des supraconducteurs à température ambiante depuis plus de trente ans.
Mais les observations de cet état instable ont-elles une incidence sur le fonctionnement des supraconducteurs à haute température dans le monde réel, où des applications telles que les lignes électriques, les trains à sustentation magnétique, les accélérateurs de particules et les équipements médicaux exigent qu’ils soient stables ?
Une étude publiée dans Science Advances le 9 février 2022, 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”.
A quoi ressemble la normale ?
YBCO est un composé d’oxyde de cuivre, ou cuprate, membre d’une famille de matériaux qui a été découvert en 1986 pour conduire l’électricité avec une résistance nulle à des températures beaucoup plus élevées que ce que les scientifiques avaient cru possible.
Comme les supraconducteurs classiques, qui ont été découverts plus de 70 ans auparavant, l’YBCO passe de l’état normal à l’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 entremêlées 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 où 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 est généralement effectuée en exposant le matériau à un champ magnétique. Il s’agit de l’approche privilégiée car elle laisse le matériau dans une configuration stable, celle dont on aurait besoin pour créer un système pratique.périphérique.
La supraconductivité peut également être désactivée par une impulsion de lumière, a déclaré M. Lee. 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.
Les CDWs bidimensionnels ont été découverts en 2012, et en 2015, Lee et ses collaborateurs ont découvert les CDWs. ont découvert un nouveau type 3D de CDW. 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 le magnétisme, l’équipe de recherche a réalisé des expériences avec trois sources de lumière à rayons X.
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.
Référence : “Caractérisation de l’état normal photoinduit par une onde de densité de charge dans le YBa supraconducteur”.2Cu3O6.67“par Hoyoung Jang, Sanghoon Song, Takumi Kihara, Yijin Liu, Sang-Jun Lee, Sang-Youn Park, Minseok Kim, Hyeong-Do Kim, Giacomo Coslovich, Suguru Nakata, Yuya Kubota, Ichiro Inoue, Kenji Tamasaku, Makina Yabashi, Heemin Lee, Changyong Song, Hiroyuki Nojiri, Bernhard Keimer, Chi-Chang Kao et Jun-Sik Lee, 9 février 2022, Science Advances.
DOI : 10.1126/sciadv.abk0832
Chercheurs du Laboratoire de l’accélérateur de Pohang et de l’Université des sciences et de la technologie de Pohang en Corée, de l’Université de Tohoku et de RIKEN. SPring-8 Center et Japan Synchrotron Radiation Research Institute au Japon ; et Max Planck Institute for Solid State Research en Allemagne ont également contribué à ce travail, qui a été financé par le DOE Office of Science. Le SSRL est un établissement utilisateur du DOE Office of Science.
