Expériences dans le laboratoire de la TU Wien. Crédit : TU Vienne
Dans quelle mesure les mesures en physique du solide sont-elles reproductibles ? De nouvelles mesures montrent : un effet prétendument sensationnel n’existe pas du tout.
Un seul résultat de mesure n’est pas une preuve – cela a été démontré à maintes reprises dans la science. On ne peut vraiment se fier à un résultat de recherche que lorsqu’il a été mesuré plusieurs fois, de préférence par différentes équipes de recherche, de manière légèrement différente. De cette façon, les erreurs peuvent généralement être détectées tôt ou tard.
Cependant, une nouvelle étude du professeur Andrej Pustogow de l’Institut de physique des solides de la TU Wien, en collaboration avec d’autres équipes de recherche internationales, montre que cela peut parfois prendre beaucoup de temps. L’étude du ruthénate de strontium, un matériau qui joue un rôle important dans la supraconductivité non conventionnelle, a maintenant réfuté une expérience devenue célèbre dans les années 1990 : on croyait qu’une nouvelle forme de supraconductivité avait été découverte. Cependant, il s’avère maintenant que le matériau se comporte de manière très similaire à d’autres supraconducteurs à haute température bien connus. Néanmoins, il s’agit d’une avancée importante pour la recherche.
Deux particules à spin couplé
La supraconductivité est l’un des grands mystères de la physique du solide : certains matériaux perdent complètement leur résistance électrique à basse température. Cet effet n’est pas encore entièrement compris. Ce qui est certain, cependant, c’est que les « paires de Cooper » jouent un rôle central dans la supraconductivité.
Cristal en forme de pyramide dans une bobine. Crédit : TU Vienne
Dans un métal normal, le courant électrique est constitué d’électrons individuels qui entrent en collision les uns avec les autres et avec les atomes métalliques. Dans un supraconducteur, les électrons se déplacent par paires. « Cela change radicalement la situation », explique Andrej Pustogow. “C’est similaire à la différence entre une foule dans une rue commerçante animée et le mouvement apparemment sans effort d’un couple dansant sur la piste de danse.” Lorsque les électrons sont liés par paires de Cooper, ils ne perdent pas d’énergie par diffusion et se déplacent à travers le matériau sans aucune perturbation. La question cruciale est : quelles conditions conduisent à cette formation de paires de Cooper ?
« D’un point de vue de la physique quantique, l’important est le spin de ces deux électrons », explique Andrej Pustogow. Le spin est le moment magnétique d’un électron et peut pointer « vers le haut » ou « vers le bas ». Dans les paires de Cooper, cependant, un couplage se produit : dans un état « singulet », le spin d’un électron pointe vers le haut et celui de l’autre électron pointe vers le bas. Les moments magnétiques s’annulent et le spin total de la paire est toujours nul.
Cependant, cette règle, que suivent presque tous les supraconducteurs, semblait être brisée par les paires de Cooper dans le ruthénate de strontium (Sr2RuO4). En 1998, des résultats ont été publiés qui indiquaient des paires de Cooper dans lesquelles les spins des deux électrons pointaient dans la même direction (il s’agit alors d’un « triplet de spins »). « Cela permettrait des applications complètement nouvelles », explique Andrej Pustogow. « De telles paires de triplet Cooper n’auraient alors plus un spin total de zéro. Cela permettrait de les manipuler avec des champs magnétiques et de les utiliser pour transporter des informations sans perte, ce qui serait intéressant pour la spintronique et d’éventuels ordinateurs quantiques.
Cela a fait beaucoup de bruit, notamment parce que le ruthénate de strontium était également considéré comme un matériau particulièrement important pour la recherche sur la supraconductivité pour d’autres raisons : sa structure cristalline est identique à celle des cuprates, qui présentent une supraconductivité à haute température. Alors que ces derniers sont volontairement dopés avec des « impuretés » pour rendre possible la supraconductivité, Sr2RuO4 est déjà supraconducteur sous sa forme pure.
Nouvelle mesure, nouveau résultat
« En fait, nous avons étudié ce matériau pour une raison complètement différente », explique Andrej Pustogow. “Mais dans le processus, nous avons réalisé que ces anciennes mesures ne pouvaient pas être correctes.” En 2019, l’équipe internationale a pu montrer que l’effet de spin supposé exotique n’était qu’un artefact de mesure : la température mesurée ne correspondait pas à la température réelle de l’échantillon étudié ; en fait, l’échantillon étudié à l’époque n’était pas du tout supraconducteur. Fort de cette prise de conscience, la supraconductivité du matériau est désormais réexaminée avec une grande précision. Les nouveaux résultats montrent clairement que le ruthénate de strontium n’est pas un supraconducteur triplet. Au contraire, les propriétés correspondent à ce qui est déjà connu des cuprates.
Cependant, Andrej Pustogow ne trouve pas cela décevant : « C’est un résultat qui fait avancer notre compréhension de la supraconductivité à haute température dans ces matériaux. La découverte que le ruthénate de strontium montre un comportement similaire aux cuprates signifie deux choses : d’une part, cela montre que nous n’avons pas affaire à un phénomène nouveau et exotique, et d’autre part cela signifie également que nous avons un nouveau matériau à notre disposition. , dans lequel nous pouvons étudier des phénomènes déjà connus. Le ruthénate de strontium ultra-pur est mieux adapté pour cela que les matériaux connus auparavant. Il offre un champ d’essai beaucoup plus propre que les cuprates.
En outre, on apprend également quelque chose sur la fiabilité des anciennes publications généralement acceptées : « En fait, on pourrait penser que les résultats de la physique du solide peuvent difficilement être faux », dit Pustogow. « Alors qu’en médecine, vous devrez peut-être vous contenter de quelques souris de laboratoire ou d’un échantillon d’un millier de sujets de test, nous examinons des milliards de milliards (environ 10 à la puissance 19) d’électrons dans un seul cristal. Cela augmente la fiabilité de nos résultats. Mais cela ne signifie pas que chaque résultat est complètement correct. Comme partout en science, la reproduction des résultats antérieurs est indispensable dans notre domaine – et leur falsification l’est aussi.
Les références:
« Preuve de la supraconductivité non conventionnelle à parité paire dans le Sr2RuO4» par Aaron Chronister, Andrej Pustogow, Naoki Kikugawa, Dmitry A. Sokolov, Fabian Jerzembeck, Clifford W. Hicks, Andrew P. Mackenzie, Eric D. Bauer et Stuart E. Brown, 22 juin 2021, Actes de l’Académie nationale des sciences.
DOI : 10.1073/pnas.2025313118
« Contraintes sur le paramètre d’ordre supraconducteur dans Sr2RuO4 de la résonance magnétique nucléaire de l’oxygène-17″ par A. Pustogow, Yongkang Luo, A. Chronister, Y.-S. Su, DA Sokolov, F. Jerzembeck, AP Mackenzie, CW Hicks, N. Kikugawa, S. Raghu, ED Bauer et SE Brown, 23 septembre 2019, La nature.
DOI : 10.1038 / s41586-019-1596-2
