De nouvelles possibilités pour la supraconductivité à température ambiante
La supraconductivité à température ambiante
Les scientifiques ont découvert que le déclenchement de la supraconductivité à l’aide d’un flash lumineux nécessite la même physique fondamentale que celle qui est à l’œuvre dans les états plus stables nécessaires aux dispositifs, ce qui ouvre une nouvelle voie vers la création d’une supraconductivité à température ambiante.
Les chercheurs peuvent en savoir plus sur un système en le poussant dans un état quelque peu instable – les scientifiques parlent de “déséquilibre” – et en observant ensuite ce qui se passe lorsqu’il revient à un état plus stable, tout comme les gens peuvent en apprendre plus sur eux-mêmes en sortant de leur zone de confort.
Un aperçu de la supraconductivité
Dans des conditions particulières, des expériences menées sur le matériau supraconducteur oxyde d’yttrium, de baryum et de cuivre (YBCO) ont montré qu’en le déséquilibrant à l’aide d’une impulsion laser, il devenait supraconducteur, c’est-à-dire qu’il conduisait le courant électrique sans perte, à une température beaucoup plus proche de la température ambiante que ce à quoi les scientifiques s’attendaient. Les chercheurs travaillent sur les supraconducteurs à température ambiante depuis plus de trente ans, ce qui pourrait constituer une avancée significative.
Toutefois, les observations de cet état instable ont-elles un rapport avec la manière dont les supraconducteurs à haute température pourraient fonctionner dans la vie réelle, où des applications telles que les lignes électriques, les trains maglev, les accélérateurs de particules et les équipements médicaux requièrent leur stabilité ?
Une recherche récente publiée dans Science Advances suggère que la solution est oui.
Pour Jun-Sik Lee, chercheur au SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l’énergie, ce type d’étude, bien qu’utile, aurait pu être plus prometteur pour les applications futures. Jung-Sik Lee est également le chef de l’équipe de recherche internationale qui a mené l’étude.
Maintenant, nous avons découvert que la physique fondamentale de ces états instables est extrêmement comparable à celle des états stables. Cela ouvre des perspectives considérables, notamment la possibilité de pousser d’autres matériaux dans un état supraconducteur transitoire sous l’effet de la lumière. C’est un état fascinant que nous ne pouvons pas voir autrement”.
À quoi ressemble la normale ?
Le YBCO est un composé d’oxyde de cuivre, également connu sous le nom de cuprate. Il appartient à une famille de matériaux découverts en 1986 qui conduisent l’électricité sans résistance à des températures bien supérieures à celles que les chercheurs avaient considérées comme possibles auparavant.
Tout comme les supraconducteurs classiques, découverts plus de 70 ans auparavant, l’YBCO passe de l’état normal à l’état supraconducteur lorsqu’il est refroidi en dessous d’une certaine température de transition. Les électrons s’apparient alors et forment un condensat – un genre de soupe d’électrons – qui conduit facilement l’électricité. Les chercheurs disposent d’une théorie solide sur la manière dont ce phénomène se produit dans les supraconducteurs classiques, mais il n’y a toujours pas d’accord sur la manière exacte dont il se produit dans les supraconducteurs non conventionnels tels que l’YBCO.
Pour approfondir la question, il convient d’étudier l’état normal de l’YBCO, qui est tout à fait étrange en soi. L’état normal comporte une variété de phases complexes et entremêlées de cette matière, chacune ayant le potentiel d’aider ou d’entraver la transition vers la supraconductivité, qui se bousculent pour dominer et se chevauchent souvent. Dans certaines de ces phases, les électrons semblent se reconnaître et agir collectivement comme s’ils se traînaient les uns les autres.
C’est un véritable enchevêtrement, et les scientifiques espèrent qu’une meilleure compréhension permettra de comprendre comment et pourquoi ces matériaux deviennent supraconducteurs à des températures bien plus élevées que la limite théorique prévue pour les supraconducteurs conventionnels.
États normaux des particules
Il n’est pas facile d’étudier ces états normaux fascinants aux températures chaudes où ils se produisent, c’est pourquoi les scientifiques refroidissent généralement leurs échantillons d’YBCO jusqu’au point où ils deviennent supraconducteurs, puis désactivent la supraconductivité pour rétablir l’état normal.
La commutation est généralement effectuée en exposant le matériau à un champ magnétique. C’est l’approche préférée car elle laisse le matériau dans une configuration stable – le type de matériau dont on a besoin pour créer un dispositif pratique.
Selon Lee, la supraconductivité peut également être désactivée à l’aide d’une impulsion lumineuse. Cela produit un état normal qui est déséquilibré – hors de l’équilibre – où des phénomènes intrigants peuvent se produire d’un point de vue scientifique. Toutefois, le fait que cet état soit instable a incité les chercheurs à ne pas penser que tout ce qu’ils apprennent dans ce domaine puisse être appliqué à des matériaux stables tels que ceux qui sont nécessaires pour les applications pratiques.
Des ondes qui restent immobiles
Pour cette étude, Lee et ses collaborateurs ont comparé les approches de commutation – champs magnétiques et impulsions lumineuses – en se concentrant sur la manière dont elles influencent une phase particulière de la matière, appelée “ondes de densité de charge” (CDW), qui apparaît dans les matériaux supraconducteurs. Les ondes de densité de charge sont des modèles ondulatoires de réduction et d’augmentation de la densité des électrons. Toutefois, contrairement aux vagues de l’océan, elles ne se déplacent pas.
En 2012, des CDW bidimensionnels ont été découverts ; en 2015, Lee et ses collaborateurs ont découvert un nouveau type de CDW en 3D. Les deux catégories sont intimement liées à la supraconductivité à haute température et peuvent servir de marqueurs du facteur de transition où la supraconductivité s’active ou se désactive.
En vue de comparer l’aspect des CDW dans l’YBCO lorsque leur supraconductivité est désactivée par la lumière ou le magnétisme, l’équipe de recherche a réalisé des expériences à l’aide de trois sources de rayons X. Dans un premier temps, elle a mesuré les propriétés des CDW dans l’YBCO.
Au départ, elle a mesuré les propriétés du matériau non perturbé, notamment ses ondes de densité de charge, à la source de rayonnement synchrotron Stanford (SSRL) du SLAC.
Des échantillons du matériau ont ensuite été soumis à des champs magnétiques élevés au synchrotron SACLA au Japon et à la lumière laser au laser à électrons libres à rayons X du Pohang Accelerator Laboratory (PAL-XFEL) en Corée, afin de mesurer les modifications de leurs ondes de densité de charge.
Pour le chercheur du SLAC et coauteur de l’étude Sanghoon Song, ces expériences ont démontré que l’exposition des échantillons au magnétisme ou à la lumière générait des motifs 3D similaires de CDWs. Bien que l’on ne comprenne pas encore exactement comment et surtout pourquoi cela se produit, les résultats montrent que les états induits par l’une ou l’autre approche relèvent de la même physique fondamentale. En outre, ils suggèrent que la lumière laser pourrait être un bon moyen de produire et de découvrir des états transitoires qui pourraient être stabilisés pour des applications pratiques, y compris la supraconductivité à température ambiante.
Les scientifiques du Pohang Accelerator Laboratory et de la Pohang University of Science and Technology en Corée, de la Tohoku University, du RIKEN SPring-8 Center et du Japan Synchrotron Radiation Research Institute au Japon, ainsi que du Max Planck Institute for Solid State Research en Allemagne ont également contribué à ce travail, qui a été financé par le DOE Office of Science. Le SSRL est une infrastructure d’utilisateurs du DOE Office of Science.
Lisez l’article original sur Scitech Daily.
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