De nouvelles possibilités découvertes pour la supraconductivité à température ambiante

Les scientifiques découvrent que le déclenchement de la supraconductivité avec un flash de lumière implique la même physique fondamentale qui est à l’œuvre dans les états plus stables nécessaires aux appareils, ouvrant une nouvelle voie vers la production de supraconductivité à température ambiante.

Les chercheurs peuvent en savoir plus sur un système en le faisant basculer dans un état légèrement instable – les scientifiques appellent cela “hors d’équilibre” – puis en observant ce qui se passe lorsqu’il se réinstalle dans un état plus stable, tout comme les gens peuvent en apprendre davantage sur eux-mêmes en sortir de leur zone de confort.

Des expériences avec le matériau supraconducteur oxyde de cuivre et de baryum d’yttrium, ou YBCO, ont montré que, dans certaines conditions, le déséquilibrer avec une impulsion laser lui permet de supraconduire – conduire le courant électrique sans perte – beaucoup plus près de la température ambiante que les chercheurs ne l’avaient prévu. Étant donné que les scientifiques travaillent sur les supraconducteurs à température ambiante depuis plus de trois décennies, cela pourrait être une percée importante.

Mais les observations de cet état instable ont-elles une quelconque pertinence sur la façon dont les supraconducteurs à haute température pourraient fonctionner dans le monde réel, où des utilisations telles que les lignes électriques, les trains maglev, les accélérateurs de particules et les équipements médicaux exigent leur stabilité ?

Une étude publiée dans Avancées scientifiques suggère aujourd’hui que la réponse est oui.

“Les gens pensaient que même si ce type d’étude était utile, il n’était pas très prometteur pour les applications futures”, a déclaré Jun-Sik Lee, chercheur au Laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l’Énergie et chef de l’équipe de recherche internationale qui a mené l’étude.

“Mais maintenant, nous avons montré que la physique fondamentale de ces états instables est très similaire à celle des états stables. Cela ouvre donc d’énormes opportunités, y compris la possibilité que d’autres matériaux puissent également être poussés dans un état supraconducteur transitoire avec la lumière. C’est un état intéressant qu’on ne peut pas voir autrement.”

À quoi ressemble la normale ?

YBCO est un composé d’oxyde de cuivre, également connu sous le nom de cuprate, et fait partie d’une famille de matériaux découverts en 1986 qui conduisent l’électricité avec une résistance nulle à des températures bien plus élevées que ce que les scientifiques avaient précédemment considéré comme faisable.

Comme les supraconducteurs conventionnels, qui avaient été découverts plus de 70 ans plus tôt, YBCO passe d’un état normal à un état supraconducteur lorsqu’il est refroidi en dessous d’une certaine température de transition. À ce stade, les électrons s’apparient et forment un condensat – une sorte de soupe d’électrons – qui conduit l’électricité sans effort. Les scientifiques ont une théorie solide sur la façon dont cela se produit dans les supraconducteurs à l’ancienne, mais il n’y a toujours pas de consensus sur la façon dont cela fonctionne dans les supraconducteurs non conventionnels comme YBCO.

Une façon d’attaquer le problème est d’étudier l’état normal de YBCO, qui est assez étrange en soi. L’état normal contient un certain nombre de phases de matière complexes et entrelacées, chacune ayant le potentiel d’aider ou d’entraver la transition vers la supraconductivité, qui se bousculent pour la dominance et parfois se chevauchent. De plus, dans certaines de ces phases, les électrons semblent se reconnaître et agir collectivement, comme s’ils se traînaient.

C’est un véritable enchevêtrement, et les chercheurs espèrent qu’une meilleure compréhension permettra de comprendre comment et pourquoi ces matériaux deviennent supraconducteurs à des températures bien supérieures à la limite théorique prévue pour les supraconducteurs conventionnels.

Il est difficile d’explorer ces états normaux fascinants aux températures chaudes où ils se produisent, de sorte que les scientifiques refroidissent généralement leurs échantillons YBCO au point où ils deviennent supraconducteurs, puis désactivent la supraconductivité pour restaurer l’état normal.

La commutation se fait généralement en exposant le matériau à un champ magnétique. C’est l’approche privilégiée car elle laisse le matériau dans une configuration stable – le type dont vous auriez besoin pour créer un appareil pratique.

La supraconductivité peut également être désactivée avec une impulsion de lumière, a déclaré Lee. Cela crée un état normal un peu déséquilibré – hors d’équilibre – où des choses intéressantes peuvent se produire, d’un point de vue scientifique. Mais le fait qu’il soit instable a incité les scientifiques à hésiter à supposer que tout ce qu’ils y apprennent peut également être appliqué à des matériaux stables comme ceux nécessaires pour des applications pratiques.

Des vagues qui restent en place

Dans cette étude, Lee et ses collaborateurs ont comparé les deux approches de commutation – champs magnétiques et impulsions lumineuses – en se concentrant sur la façon dont elles affectent une phase particulière de la matière connue sous le nom d’ondes de densité de charge, ou CDW, qui apparaissent dans les matériaux supraconducteurs. Les CDW sont des modèles ondulatoires de densité électronique supérieure et inférieure, mais contrairement aux vagues océaniques, ils ne se déplacent pas.

Des CDW bidimensionnels ont été découverts en 2012, et en 2015, Lee et ses collaborateurs ont découvert un nouveau type de CDW 3D. Les deux types sont intimement liés à la supraconductivité à haute température et peuvent servir de marqueurs du point de transition où la supraconductivité s’active ou se désactive.

Pour comparer à quoi ressemblent les CDW dans YBCO lorsque sa supraconductivité est désactivée avec la lumière par rapport au magnétisme, l’équipe de recherche a effectué des expériences sur trois sources de lumière à rayons X.

Ils ont d’abord mesuré les propriétés du matériau non perturbé, y compris ses ondes de densité de charge, à la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford (SSRL) du SLAC.

Ensuite, des échantillons du matériau ont été exposés à des champs magnétiques élevés à l’installation de synchrotron SACLA au Japon et à la lumière laser au laser à rayons X à électrons libres du Pohang Accelerator Laboratory (PAL-XFEL) en Corée, de sorte que des changements dans leurs CDW pourraient être mesuré.

“Ces expériences ont montré que l’exposition des échantillons au magnétisme ou à la lumière générait des modèles 3D similaires de CDW”, a déclaré le scientifique du SLAC et co-auteur de l’étude, Sanghoon Song. Bien que l’on ne sache toujours pas comment et pourquoi cela se produit, les résultats démontrent que les états induits par l’une ou l’autre approche ont la même physique fondamentale. Et ils suggèrent que la lumière laser pourrait être un bon moyen de créer et d’explorer des états transitoires qui pourraient être stabilisés pour des applications pratiques – y compris, potentiellement, la supraconductivité à température ambiante.

Des chercheurs du Pohang Accelerator Laboratory et de l’Université des sciences et technologies de Pohang en Corée ; Université du Tohoku, RIKEN[{” attribute=””>SPring-8 Center and Japan Synchrotron Radiation Research Institute in Japan; and Max Planck Institute for Solid State Research in Germany also contributed to this work, which was funded by the DOE Office of Science. SSRL is a DOE Office of Science user facility.

Reference: “Characterization of photoinduced normal state through charge density wave in superconducting YBa₂Cu₃O_6.67” by Hoyoung Jang, Sanghoon Song, Takumi Kihara, Yijin Liu, Sang-Jun Lee, Sang-Youn Park, Minseok Kim, Hyeong-Do Kim, Giacomo Coslovich, Suguru Nakata, Yuya Kubota, Ichiro Inoue, Kenji Tamasaku, Makina Yabashi, Heemin Lee, Changyong Song, Hiroyuki Nojiri, Bernhard Keimer, Chi-Chang Kao and Jun-Sik Lee, 9 February 2022, Science Advances.
DOI: 10.1126/sciadv.abk0832