La supraconductivité, phénomène où un matériau permet le passage d’électricité sans résistance (à des températures extrêmement basses), a été étudiée une fois de plus en profondeur par une équipe de l’Université Emory. Les chercheurs ont identifié un nouveau mécanisme de supraconductivité oscillante associé aux singularités de Van Hove. Cette découverte pourrait influencer son exploitation dans des technologies futures.
La supraconductivité, découverte en 1911, est un état où certains matériaux conduisent l’électricité sans perte d’énergie (pour le moment seulement à des températures extrêmement basses ou des pressions très élevées). Cet état quantique intrigue les scientifiques depuis plus d’un siècle. Les électrons, normalement indépendants, s’associent à basse température pour former un état collectif se comportant comme une seule entité.
Récemment, une équipe de l’Université Emory a mis en lumière un aspect particulier de ce phénomène : la formation d’une supraconductivité oscillante liée aux singularités de Van Hove. Cette découverte ouvre de nouvelles perspectives dans la compréhension et l’exploitation de la supraconductivité. L’article est publié dans la revue Physical Review Letters.
Une danse électronique pour un nouvel état quantique
La supraconductivité est un phénomène où certains matériaux, lorsqu’ils sont refroidis à des températures extrêmement basses, conduisent l’électricité sans aucune résistance. Si la définition est simple, le phénomène lui reste mystérieux.
Sous la houlette du physicien Luiz Santos, l’équipe de recherche de l’Université Emory a identifié un mécanisme particulier au sein de ce phénomène : la supraconductivité oscillante. Plus précisément, ils ont découvert que cette forme de supraconductivité est caractérisée par ce qu’on appelle des ondes de densité de paires. Au lieu d’un flux constant d’électrons, il y a une sorte d’oscillation, un va-et-vient.
Les ondes de densité de paires peuvent être imaginées comme une « danse » coordonnée des électrons dans un matériau supraconducteur. Habituellement, les électrons se déplacent de manière indépendante, mais dans certains états, ils peuvent former des paires et se déplacer ensemble en suivant un certain rythme ou motif. Cette « danse » coordonnée crée des zones où il y a plus d’électrons et d’autres où il y en a moins, d’où le terme « densité ».
La source de cette danse réside dans ce que l’on appelle les « singularités de Van Hove », expliquent les chercheurs dans un communiqué. En termes simples, ces singularités sont des points où de nombreux états électroniques, ou niveaux d’énergie, se rapprochent les uns des autres. Cette proximité pourrait être la clé qui permet à ces oscillations de se produire.
La découverte de ce mécanisme offre une nouvelle perspective sur la manière dont la supraconductivité peut se manifester.
Des singularités oscillantes
Pour parvenir à cette observation, l’équipe de l’Université Emory, dirigée par le physicien Luiz Santos, a utilisé des méthodes de renormalisation pour simplifier et étudier comment les électrons interagissent dans un matériau. Les chercheurs se sont concentrés sur les singularités de Van Hove, en utilisant un cadre théorique connu sous le nom de modèle Haldane.
Comme mentionné précédemment, les singularités de Van Hove sont des points spécifiques dans la structure de bande d’un matériau où la densité d’états électroniques change brusquement. Ces points sont d’un intérêt particulier, car ils peuvent conduire à des comportements électroniques inhabituels.
En explorant ces singularités, les chercheurs ont découvert que des interactions répulsives entre les électrons, qui normalement empêcheraient la formation d’états ordonnés, peuvent en réalité stabiliser cet état particulier de supraconductivité oscillante.
Traditionnellement, on pourrait penser que des interactions répulsives entre particules chargées négativement, comme les électrons, seraient défavorables à la formation d’un état ordonné. Cependant, cette étude suggère le contraire. Cela remet en question certaines de nos conceptions traditionnelles et ouvre la voie à l’exploration de nouvelles phases électroniques, qui pourraient avoir des applications pratiques.
Implications futures
La supraconductivité promet une transmission d’énergie plus efficace, réduisant les pertes et optimisant la distribution. Cette efficacité accrue aurait le potentiel de transformer radicalement la manière dont l’électricité est utilisée et distribuée, offrant des solutions plus durables et économiques.
Et ce n’est pas qu’une simple projection futuriste. La supraconductivité est déjà à l’œuvre dans des technologies actuelles. Les bobines supraconductrices, par exemple, jouent un rôle crucial dans les machines d’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM), permettant la création de champs magnétiques puissants nécessaires pour visualiser l’intérieur du corps humain. De même, les trains à sustentation électromagnétique, qui flottent au-dessus des rails grâce à la supraconductivité, offrent des déplacements à grande vitesse sans le frottement traditionnel des trains conventionnels.
Ainsi, loin d’être un simple sujet de recherche, cet état quantique est en train de façonner le paysage technologique, promettant des avancées qui pourraient bien redéfinir le quotidien.
L’électron est une particule élémentaire qui, avec les protons et
les neutrons, constitue les atomes. C’est donc l’un des composants
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