Pendant des décennies, une famille de cristaux a déconcerté les physiciens avec sa capacité déconcertante à supraconducteurs – c’est-à-dire à transporter un courant électrique sans aucune résistance – à des températures beaucoup plus chaudes que d’autres matériaux.
Aujourd'hui, une expérience en préparation depuis des années a supraconductivité directement visualisée à l'échelle atomique dans l'un de ces cristaux, révélant enfin la cause du phénomène à la satisfaction de presque tout le monde. Les électrons semblent se pousser les uns les autres dans un flux sans friction, d'une manière suggérée pour la première fois par une vénérable théorie presque aussi ancienne que le mystère lui-même.
"Cette preuve est vraiment belle et directe", a déclaré Subir Satchdev, physicien à l'Université Harvard qui élabore des théories sur les cristaux, connus sous le nom de cuprates, et n'a pas participé à l'expérience.
"Je travaille sur ce problème depuis 25 ans et j'espère l'avoir résolu", a déclaré JC Séamus Davis, qui a dirigé la nouvelle expérience à l'Université d'Oxford. "Je suis absolument ravi."
La nouvelle mesure correspond à une prédiction basée sur la théorie, qui attribue la supraconductivité des cuprates à un phénomène quantique appelé superéchange. "Je suis étonné par l'accord quantitatif", a déclaré André-Marie Tremblay, physicien à l'Université de Sherbrooke au Canada et chef du groupe qui a fait la prédiction l'année dernière.
La recherche fait progresser l’ambition éternelle du domaine : prendre la supraconductivité des cuprates et renforcer son mécanisme sous-jacent, afin de concevoir des matériaux révolutionnaires capables de supraconducteurs de l’électricité à des températures encore plus élevées. La supraconductivité à température ambiante apporterait une efficacité parfaite à l’électronique quotidienne, aux lignes électriques et bien plus encore, même si l’objectif reste lointain.
"Si cette classe de théorie est correcte", a déclaré Davis, se référant à la théorie des superéchanges, "il devrait être possible de décrire des matériaux synthétiques avec différents atomes à différents endroits" pour lesquels la température critique est plus élevée.
Deux colles
Les physiciens luttent contre la supraconductivité depuis sa première observation en 1911. La scientifique néerlandaise Heike Kamerlingh Onnes et ses collaborateurs ont refroidi un fil de mercure à environ 4 kelvins (soit 4 degrés au-dessus du zéro absolu) et ont observé avec étonnement la résistance électrique chuter jusqu'à zéro. . Les électrons se frayaient un chemin habilement à travers le fil sans générer de chaleur lorsqu’ils entraient en collision avec ses atomes – l’origine de la résistance. Il faudrait « toute une vie d’efforts », a déclaré Davis, pour comprendre comment.
S'appuyant sur les connaissances expérimentales clés du milieu des années 1950, John Bardeen, Leon Cooper et John Robert Schrieffer a publié sa théorie lauréate du prix Nobel de cette forme conventionnelle de supraconductivité en 1957. La « théorie BCS », comme on l'appelle aujourd'hui, soutient que les vibrations se déplaçant à travers des rangées d'atomes « collent » les électrons ensemble. Lorsqu’un électron chargé négativement vole entre les atomes, il attire vers lui les noyaux atomiques chargés positivement et déclenche une ondulation. Cette ondulation attire un deuxième électron. Surmontant leur féroce répulsion électrique, les deux électrons forment une « paire de Cooper ».
"C'est une véritable supercherie de la nature", a déclaré Jörg Schmalian, physicien à l'Institut de technologie de Karlsruhe en Allemagne. "Cette paire de Cooper n'est pas censée arriver."
Lorsque les électrons se couplent, d’autres supercheries quantiques rendent la supraconductivité inévitable. Normalement, les électrons ne peuvent pas se chevaucher, mais les paires de Cooper suivent une règle de mécanique quantique différente ; ils agissent comme des particules de lumière, dont un nombre illimité peut s’empiler sur la tête d’une épingle. De nombreuses paires de Cooper se réunissent et fusionnent en un seul état mécanique quantique, un « superfluide », qui devient inconscient des atomes entre lesquels il passe.
La théorie BCS explique également pourquoi le mercure et la plupart des autres éléments métalliques sont supraconducteurs lorsqu'ils sont refroidis près du zéro absolu, mais cessent de le faire au-dessus de quelques kelvins. Les ondulations atomiques constituent la plus faible des colles. Augmentez la chaleur, et cela secoue les atomes et élimine les vibrations du réseau.
Puis, en 1986, les chercheurs d'IBM Georg Bednorz et Alex Müller sont tombés sur une colle électronique plus puissante dans les cuprates : des cristaux constitués de feuilles de cuivre et d'oxygène intercalées entre des couches d'autres éléments. Après ils observé un cuprate supraconducteurs à 30 kelvins, les chercheurs en ont rapidement découvert d'autres qui ci-dessus 100, puis ci-dessus 130 XNUMX kelvins.
Cette découverte a lancé un vaste effort visant à comprendre la colle plus résistante responsable de cette supraconductivité « à haute température ». Peut-être que les électrons se sont regroupés pour créer des concentrations de charge inégales et ondulantes. Ou peut-être ont-ils interagi via le spin, une propriété intrinsèque de l’électron qui l’oriente dans une direction particulière, comme un aimant de taille quantique.
Le regretté Philip Anderson, lauréat américain du prix Nobel et légende de la physique de la matière condensée, a proposé une théorie quelques mois seulement après la découverte de la supraconductivité à haute température. Selon lui, au cœur de cette colle se trouve un phénomène quantique décrit précédemment, appelé superéchange, une force résultant de la capacité des électrons à sauter. Lorsque les électrons peuvent sauter entre plusieurs emplacements, leur position à tout moment devient incertaine, tandis que leur élan devient défini avec précision. Une impulsion plus forte peut être une impulsion plus faible, et donc un état d’énergie plus faible, que les particules recherchent naturellement.
Le résultat est que les électrons recherchent des situations dans lesquelles ils peuvent sauter. Un électron préfère pointer vers le bas lorsque son voisin pointe vers le haut, par exemple, puisque cette distinction permet aux deux électrons de sauter entre les mêmes atomes. De cette manière, le superéchange établit un modèle régulier de spins électroniques de haut en bas dans certains matériaux. Cela pousse également les électrons à rester à une certaine distance les uns des autres. (Trop loin, et ils ne peuvent pas sauter.) C'est cette attraction efficace qui, selon Anderson, pourrait former de solides paires de Cooper.
Les expérimentateurs ont longtemps eu du mal à tester des théories comme celle d'Anderson, car les propriétés matérielles qu'ils pouvaient mesurer, comme la réflectivité ou la résistance, n'offraient que des résumés grossiers du comportement collectif de milliards d'électrons, et non de paires.
"Aucune des techniques traditionnelles de physique de la matière condensée n'a jamais été conçue pour résoudre un problème comme celui-ci", a déclaré Davis.
Super-expérience
Davis, un physicien irlandais travaillant dans des laboratoires d'Oxford, de l'Université Cornell, de l'University College Cork et de l'École internationale de recherche Max Planck pour la chimie et la physique des matériaux quantiques à Dresde, a progressivement développé des outils pour examiner les cuprates au niveau atomique. Des expériences antérieures évaluaient la force supraconductrice d'un matériau en le refroidissant jusqu'à ce qu'il atteigne la température critique à laquelle la supraconductivité commençait – des températures plus chaudes indiquant une colle plus forte. Mais au cours de la dernière décennie, le groupe de Davis a perfectionné un moyen de créer de la colle autour des atomes individuels.
Ils ont modifié une technique établie appelée microscopie à effet tunnel, qui fait glisser une aiguille sur une surface, mesurant le courant des électrons sautant entre les deux. En remplaçant la pointe métallique normale de l'aiguille par une pointe supraconductrice et en la balayant sur un cuprate, ils ont mesuré un courant de paires d'électrons plutôt que d'individus. Cela leur a permis de cartographier la densité des paires de Cooper entourant chaque atome – une mesure directe de la supraconductivité. Ils ont publié la première image de des essaims de paires Cooper in Nature dès 2016.
La même année, une expérience menée par des physiciens chinois a fourni un élément de preuve majeur soutenant la théorie du superéchange d'Anderson : ils ont montré que plus il est facile pour les électrons de sauter entre les atomes de cuivre et d'oxygène dans un cuprate donné, plus la température critique du cuprate est élevée (et donc plus sa colle est forte). Davis et ses collègues ont cherché à combiner les deux approches dans un seul cristal de cuprate pour révéler de manière plus concluante la nature de la colle.
Le moment « aha » est survenu lors d’une réunion de groupe sur Zoom en 2020, a-t-il déclaré. Les chercheurs ont réalisé qu’un cuprate appelé oxyde de cuivre, de calcium, de bismuth et de strontium (BSCCO, ou « bisko », en abrégé) avait une caractéristique particulière qui rendait possible leur expérience de rêve. Dans BSCCO, les couches d’atomes de cuivre et d’oxygène sont comprimées en un motif ondulé par les feuilles d’atomes environnantes. Cela fait varier les distances entre certains atomes, ce qui affecte à son tour l’énergie nécessaire pour sauter. La variation provoque des maux de tête pour les théoriciens, qui aiment que leurs réseaux soient bien rangés, mais elle a donné aux expérimentateurs exactement ce dont ils avaient besoin : une gamme d'énergies sautillantes dans un seul échantillon.
Ils ont utilisé un microscope à balayage traditionnel doté d'une pointe métallique pour coller des électrons sur certains atomes et les arracher à d'autres, cartographiant ainsi les énergies de saut à travers le cuprate. Ils ont ensuite échangé une pointe en cuprate pour mesurer la densité des paires de Cooper autour de chaque atome.
Les deux cartes alignées. Là où les électrons avaient du mal à sauter, la supraconductivité était faible. Là où sauter était facile, la supraconductivité était forte. La relation entre l'énergie de saut et la densité des paires de Cooper correspondait étroitement à un modèle sophistiqué. prédiction numérique de 2021 par Tremblay et ses collègues, qui ont soutenu que cette relation devrait découler de la théorie d'Anderson.
Super Colle Superéchange
La découverte de Davis selon laquelle l'énergie de saut est liée à la force de supraconductivité, publiée ce mois-ci dans le Actes de l'Académie nationale des sciences, implique fortement que le superéchange est la super colle permettant la supraconductivité à haute température.
"C'est un beau travail car il apporte une nouvelle technique pour montrer davantage que cette idée a des jambes", a déclaré Ali Yazdani, physicien à l'Université de Princeton qui a développé des techniques similaires pour étudier les cuprates et d'autres cas exotiques de supraconductivité en parallèle avec le groupe de Davis.
Mais Yazdani et d'autres chercheurs préviennent qu'il existe encore une chance, aussi faible soit-elle, que la force de la colle et la facilité de saut se déplacent de manière parallèle pour une autre raison, et que le domaine tombe dans le piège classique de la corrélation égale la causalité. Pour Yazdani, le véritable moyen de prouver une relation causale sera d’exploiter les superéchanges pour concevoir de nouveaux supraconducteurs tape-à-l’œil.
« Si c'est fini, augmentons Tc", a-t-il déclaré, faisant référence à la température critique.
Le superéchange n'est pas une idée nouvelle, c'est pourquoi de nombreux chercheurs y ont déjà réfléchi. comment le fortifier, peut-être en écrasant davantage le réseau de cuivre et d’oxygène ou en expérimentant d’autres paires d’éléments. «Il y a déjà des pronostics sur la table», a déclaré Tremblay.
Bien entendu, dessiner des plans atomiques et concevoir des matériaux répondant aux attentes des chercheurs n’est ni rapide ni facile. De plus, rien ne garantit que même les cuprates sur mesure atteindront des températures critiques bien supérieures à celles des cuprates que nous connaissons déjà. La force du superéchange pourrait avoir un plafond rigide, tout comme les vibrations atomiques semblent l’être. Certains chercheurs sont enquêter sur les candidats pour des types de colle complètement différents et potentiellement encore plus résistants. Autres tirer parti des pressions surnaturelles pour consolider les vibrations atomiques traditionnelles.
Mais le résultat de Davis pourrait dynamiser et concentrer les efforts des chimistes et des scientifiques des matériaux qui visent à élever les supraconducteurs cuprates vers de plus grandes hauteurs.
"La créativité des personnes qui conçoivent des matériaux est illimitée", a déclaré Schmalian. « Plus nous sommes convaincus qu’un mécanisme est efficace, plus il est naturel d’investir davantage dans celui-ci. »
