Une supraconductivité inconnue avec de nouvelles paires de Cooper

13-04-2018 futura-sciences.com 8 min #140090

La propriété de supraconduction s'explique par l'apparition de paires de Cooper, des électrons associés par deux quand la température descend sous une valeur critique. Les électrons ont un spin 1/2 mais des chercheurs viennent pour la première fois de démontrer que dans un alliage YPtBi, ces électrons appariés se comportent comme s'ils avaient chacun un spin 3/2. C'est du jamais vu.

Supraconductivité : les secrets de la lévitation quantique Difficile de ne pas éprouver une fascination envers la supraconductivité. Cette propriété quantique qui, entre autres prouesses, fait léviter les objets, est aujourd'hui au centre d'un grand nombre de recherches de pointe. Voici en vidéo un aperçu des plus belles lévitations quantiques.

Le phénomène de conduction électrique s'est révélé bien plus compliqué et varié que ne pouvaient le soupçonner les pionniers de l'électricité tels que Coulomb, Franklin, Volta ou Ohm. Le premier modèle prometteur de conduction des  électrons que le physicien Paul Drude a proposé en 1900 était basé sur une analogie avec la théorie cinétique des  gaz. Pourtant, ce modèle ne décrit pas bien la conductivité des métaux, car il fournit des valeurs bien trop faibles. Ce n'est qu'avec la découverte des principes de la  mécanique quantique, et surtout du caractère ondulatoire de la matière, que des physiciens comme Hans Bethe, Rudolph Peierls et quelques autres ont commencé à y voir plus clair.

C'est finalement à la fin des années 1920 que le prix Nobel de  physique Félix Bloch a obtenu la première clé de la physique du solide en utilisant les ondes de matière de  Louis de Broglie, pour décrire la propagation des  électrons dans un  réseau cristallin. Les noyaux occupant les sites y génèrent un potentiel électrostatique effectif, variant périodiquement dans l'espace. Que ce soit dans un  métal ou dans un semi-conducteur, ce potentiel peut être approximé par une série de créneaux. Il existe alors des solutions particulières de l'équation de Schrödinger contrôlant la propagation des ondes de matière électronique dans ce cristal. Elles expliquent pourquoi des électrons peuvent s'y déplacer sans être rapidement freinés par des collisions avec les noyaux. Ces solutions décrivent les « ondes de Bloch ».

Félix Bloch (1905-1983) était un physicien suisse. Edward Mills Purcell et lui se sont partagé le prix Nobel de physique de 1952 pour leurs travaux sur la résonance magnétique nucléaire (RMN). On lui doit d'importants travaux en physique du solide avec la découverte des ondes de Bloch. © Weizmann Institute of Science

Les paires de Cooper, la clé de la supraconductivité

Découverte au début du XX e siècle, la  supraconductivité est un bien étrange phénomène par lequel la  résistance électrique s'annule, dans certains matériaux, au-dessous d'une température critique. Il aura cependant fallu attendre les années 1950 pour que soit élaborée une première théorie expliquant ce phénomène, quantique là aussi, la théorie BCS (voir l'article ci-dessous).

Elle suppose que les électrons, des  fermions de  spin ½, se combinent pour donner des paires de Cooper, sortes de quasi-particules, selon l'expression consacrée, qui se comportent comme des  bosons, c'est-à-dire des particules de spin entier.

Le domaine des matériaux  supraconducteurs s'est bien étendu depuis, notamment à partir du milieu des années 1980 avec la découverte des matériaux  supraconducteurs à hautes températures critiques pour lequel il n'existe toujours pas de théorie. Elle serait pourtant indispensable pour, peut-être, en tirer un supraconducteur à température ambiante, un «  unobtainium ». Des considérations issues d'une branche ésotérique des mathématiques, la topologie, ont aussi fait leur apparition dans ce domaine depuis presque 50 ans et elles ont conduit à l'attribution d'un  prix Nobel.

Une présentation de la supraconductivité. © CEA Recherche

Un semimétal topologique supraconducteur

Un bon exemple de ces recherches est une récente découverte publiée dans le journal  Science Advances. Les auteurs ont travaillé sur un semimétal étudié depuis quelques années, de type YPtBi, car composé d'yttrium, platine et bismuth. Ce  matériau est une sorte d'alliage d'Heusler, présentant donc des propriétés ferromagnétiques alors qu'il est formé d'éléments qui ne le sont pas. On avait découvert qu'il était supraconducteur près du zéro absolu, alors qu'il n'est pas un bon conducteur dans les conditions standards, ce qui est le cas des supraconducteurs conventionnels, tel le mercure.

Les chercheurs le qualifient de « semimétal topologique » et l'équipe de physiciens états-uniens, à l'origine de la récente publication, annonce maintenant qu'elle y a débusqué un phénomène prédit également tout récemment et qui semblait impossible dans un solide. Les électrons dans les ondes Bloch s'y comporteraient comme les électrons autour d'un atome, donc avec un  moment cinétique qui est la composition du spin propre de chaque électron et d'un moment cinétique orbital, comme s'il tournait autour d'un noyau (soit 3/2). Sauf que dans le cas présent, les électrons se déplacent librement dans le supraconducteur exotique. Finalement, les paires de Cooper semblent donc formées d'électrons de Bloch se comportant comme si chacun avait un spin 3/2.

Pour le démontrer, les physiciens ont étudié de plus près un phénomène associé aux supraconducteurs plongés dans un champ magnétique. Ils expulsent les lignes de ce champ, c'est l'effet Meissner.

Enfin, presque, en réalité, dans une boule supraconductrice par exemple, ce champ pénètre un tout petit peu sous la surface mais son intensité diminue très rapidement, de manière exponentielle. Cela se traduit par une modification mesurable du champ magnétique extérieur. Une autre modification était prévue par la théorie prédisant des électrons de Bloch de spin 3/2 (liée au fait que la diminution de l'intensité est linéaire dans le matériau) et c'est elle que les chercheurs, dont plusieurs sont de l'université de Maryland (États-Unis), ont mesurée.

Il vient donc de s'ouvrir un tout nouveau champ d'étude pour les supraconducteurs exotiques avec de toutes nouvelles paires de Cooper formées d'électrons de Bloch, dont les moments cinétiques ne sont pas forcément de valeur ½.

 futura-sciences.com

 Ajouter un commentaire