Découverte en 1911 par le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes, la supraconductivité constitue un domaine actif de recherche en physique de la matière condensée. Caractérisés par une résistivité nulle et par l’expulsion d’un champ magnétique (effet Meissner) au dessous de leur température critique, les supraconducteurs ouvrent la voie à des applications révolutionnaires dans de nombreux domaines. Récemment, une équipe de physiciens a découvert un tout nouveau type de supraconductivité. 

Le courant électrique est composé d’un flux d’électrons circulant au sein d’un matériau conducteur. Les électrons se déplacent d’atomes en atomes, transférant à ces derniers une partie de leur énergie tout au long de leur trajectoire. Appelée « résistance », ce phénomène de perte énergétique est la raison pour laquelle les réseaux électriques perdent en moyenne 7% de l’électricité totale qui les parcourent. Toutefois, dans certains matériaux refroidis à basse température, les électrons forment des paires – baptisées « paires de Cooper » dans la théorie BCS – et circulent librement : c’est la supraconductivité.

Un grand nombre de matériaux révèlent des propriétés supraconductrices à très basses températures, c’est pourquoi la supraconductivité est utilisée dans des équipements comme l’IRM (pour la génération de puissants champs magnétiques), les trains à sustentation magnétique ou encore les électroaimants des accélérateurs de particules. L’inconvénient est que les supraconducteurs sont chers à produire et nécessitent un lourd équipement de refroidissement pour conserver leurs propriétés.

Dans ce cadre, des chercheurs de l’université du Maryland ont mis en lumière un nouveau type de supraconductivité en étudiant le comportement d’un matériau bien particulier à basse température. Non seulement le phénomène est apparu de manière inattendue, mais il semble également être basé sur un mécanisme de couplage entre électrons différent de celui décrit par la théorie classique de la supraconductivité (théorie BCS). Les résultats ont été publiés dans la revue Science Advances.

spin yptbi

Différences de configurations de spin des paires de Cooper entre des supraconducteurs classiques (spin 1/2) et l’YPtBi (spin 3/2).

À l’intérieur des supraconducteurs standards, les électrons formant des paires de Cooper constituent des quasi-particules présentant un spin égal à 1/2. Néanmoins, dans ce matériau particulier, appelé « YPtBi », les scientifiques ont observé des configurations d’électrons inhabituelles avec un spin égal à 3/2. « Personne ne pensait que c’était possible au sein d’un matériau solide » explique Johnpierre Paglione, auteur principal de l’étude. « Les états hauts de spin sont observables dans les atomes isolés, mais dès lors que ces atomes sont agencés en solide, généralement ces états disparaissent et présentent de nouveau un spin 1/2 ».

L’YPtBi est connu pour ses propriétés supraconductrices depuis plusieurs années et à l’époque, cette découverte avait déjà étonné les physiciens car c’est un matériau qui ne présente pas une bonne conduction électrique du fait de son faible nombre d’électrons mobiles à température ambiante, contrairement à tous les autres supraconducteurs. D’après la théorie BCS, l’YPtBi devrait posséder 1000 fois plus d’électrons pour être supraconducteur à des températures inférieures à -272°C. Cependant, ces propriétés ont tout de même émergé.

Pour étudier cet étrange comportement, les physiciens ont observé l’interaction du matériau avec des champs magnétiques pour analyser le comportement de ses électrons. Lors de la transition supraconductrice, un matériau expulse normalement tout champ magnétique additionnel – c’est l’effet Meissner. Toutefois, une fraction du champ magnétique peut tout de même pénétrer le matériau avant son expulsion, la profondeur de pénétration dépendant de la configuration des paires de Cooper.

Tout en faisant varier sa température, les auteurs ont utilisé des bobines de cuivre pour détecter d’éventuels changements dans les propriétés magnétiques de l’YPtBi. Contrairement aux autres supraconducteurs dont la fraction du champ magnétique pénétrant augmente exponentiellement avec la température, celle de l’YPtBi a montré une augmentation linéaire. Pour expliquer ce phénomène, les chercheurs ont avancé que les électrons devaient présenter une structure de spin 3/2 (c’est-à-dire au-delà des triplets standards).

Une telle configuration n’avait encore jamais été observée dans des supraconducteurs. Malgré les températures extrêmement froides nécessaires à son apparition, cette découverte ouvre de nouvelles voies de recherche. « Nous avions l’habitude de travailler uniquement avec des paires de spin 1/2 » explique Hyunsoo Kim, directeur de l’étude. « Mais si nous commençons à observer des états de spin plus hauts, les implications de cette découverte s’élargissent et deviennent plus intéressantes ».

Malgré des résultats prometteurs, ceux-ci ont soulevé de nombreuses questions qui demeurent encore sans réponses. « Quelle est la colle qui lie entre elles ces paires à hauts états de spin ? » questionne Paglione. « Nous avons déjà quelques idées sur ce qu’il se passe, mais les questions profondes qui se posent rendent cette découverte encore plus fascinante ».

Source : Science Advances

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