Sur la piste de la supraconductivité non conventionnelle
L'équipe de recherche présente le champion des poids lourds
À des températures suffisamment basses, certains métaux perdent leur résistance électrique et conduisent l'électricité sans perte. Cet effet de la supraconductivité est connu depuis plus de cent ans et est bien compris pour les supraconducteurs dits conventionnels. Les supraconducteurs non conventionnels, dont le fonctionnement n'est pas encore bien compris, sont en revanche plus récents. Une équipe du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), en collaboration avec des collègues du CEA (Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives), de l'université de Tohoku au Japon et de l'Institut Max Planck de physique chimique des solides à Dresde, a maintenant acquis de nouvelles connaissances. Les chercheurs font état de leurs récentes découvertes dans la revue Nature Communications. Ils pourraient expliquer pourquoi un nouveau matériau reste supraconducteur même à des champs magnétiques extrêmement élevés - une propriété qui fait défaut aux supraconducteurs classiques et qui pourrait permettre des applications technologiques jusqu'ici inconcevables.
"Le ditelluride d'uranium, ou UTe2 en abrégé, est l'un des matériaux supraconducteurs les plus performants", explique Toni Helm, du Laboratoire des champs magnétiques intenses (HLD) de Dresde au HZDR. "Découvert en 2019, ce composé conduit l'électricité sans perte, mais d'une manière différente de celle des supraconducteurs conventionnels." Depuis, des groupes de recherche du monde entier se sont intéressés à ce matériau. L'équipe de Helm en fait partie et a fait un pas de plus vers la compréhension du matériau.
"Pour bien comprendre l'engouement suscité par ce matériau, nous devons nous intéresser de plus près à la supraconductivité", explique le physicien. "Ce phénomène résulte du mouvement des électrons dans le matériau. Lorsqu'ils entrent en collision avec des atomes, ils perdent de l'énergie sous forme de chaleur. Cela se manifeste par une résistance électrique. Les électrons peuvent éviter ce phénomène en s'arrangeant pour former des paires, appelées paires de Cooper". C'est le cas lorsque deux électrons se combinent à basse température pour se déplacer dans un solide sans frottement. Ils utilisent alors les vibrations atomiques qui les entourent comme une sorte de vague sur laquelle ils peuvent surfer sans perdre d'énergie. Ces vibrations atomiques expliquent la supraconductivité conventionnelle.
"Mais depuis quelques années, on connaît aussi des supraconducteurs dans lesquels les paires de Cooper sont formées par des effets qui ne sont pas encore totalement compris", explique le physicien. Une forme possible de supraconductivité non conventionnelle est la supraconductivité à triplets de spin. On pense qu'elle utilise les fluctuations magnétiques. "Il existe également des métaux dans lesquels les électrons de conduction se rassemblent collectivement", explique Helm. "Ensemble, ils peuvent protéger le magnétisme du matériau, se comportant comme une seule particule avec - pour des électrons - une masse extrêmement élevée". De tels matériaux supraconducteurs sont connus sous le nom de supraconducteurs à fermions lourds. L'UTe2 pourrait donc être à la fois un triplet de spin et un supraconducteur à fermions lourds, comme le suggèrent les expériences actuelles. De plus, il est le champion du monde des poids lourds : À ce jour, on ne connaît aucun autre supraconducteur à fermion lourd qui soit encore supraconducteur à des champs magnétiques similaires ou plus élevés. La présente étude l'a également confirmé.
Extrêmement résistant aux champs magnétiques
La supraconductivité dépend de deux facteurs : la température de transition critique et le champ magnétique critique. Si la température tombe en dessous de la température de transition critique, la résistance tombe à zéro et le matériau devient supraconducteur. Les champs magnétiques externes influencent également la supraconductivité. S'ils dépassent une valeur critique, l'effet s'effondre. "Les physiciens disposent d'une règle empirique à ce sujet", explique M. Helm : "Dans de nombreux supraconducteurs conventionnels, la valeur de la température de transition en kelvins est environ une à deux fois la valeur de l'intensité du champ magnétique critique en teslas. Dans les supraconducteurs à triplet de spin, ce rapport est souvent beaucoup plus élevé." Grâce à leurs études sur le poids lourd UTe2, les chercheurs ont pu placer la barre encore plus haut : À une température de transition de 1,6 kelvin (-271,55°C), l'intensité du champ magnétique critique atteint 73 teslas, établissant le rapport à 45 - un record.
"Jusqu'à présent, les supraconducteurs à fermions lourds présentaient peu d'intérêt pour les applications techniques", explique le physicien. "Ils ont une température de transition très basse et l'effort nécessaire pour les refroidir est comparativement élevé. Néanmoins, leur insensibilité aux champs magnétiques externes pourrait compenser cette lacune. En effet, le transport de courant sans perte est principalement utilisé aujourd'hui dans les aimants supraconducteurs, par exemple dans les scanners d'imagerie par résonance magnétique (IRM). Cependant, les champs magnétiques influencent également le supraconducteur lui-même. Un matériau capable de résister à des champs magnétiques très élevés tout en conduisant l'électricité sans perte représenterait une avancée majeure.
Un traitement spécial pour un matériau exigeant
"Bien entendu, l'UTe2 ne peut pas être utilisé pour fabriquer des fils pour un électro-aimant supraconducteur", explique M. Helm. "D'une part, les propriétés du matériau le rendent impropre à cet usage et, d'autre part, il est radioactif. Mais il convient parfaitement à l'exploration de la physique de la supraconductivité spin-triplet." Sur la base de leurs expériences, les chercheurs ont développé un modèle qui pourrait servir d'explication à la supraconductivité avec une stabilité extrêmement élevée contre les champs magnétiques. Pour ce faire, ils ont travaillé sur des échantillons d'une épaisseur de quelques micromètres, soit une fraction de l'épaisseur d'un cheveu humain (environ 70 micromètres). Le rayonnement radioactif émis par les échantillons reste donc bien inférieur à celui du fond naturel.
Pour obtenir et façonner un échantillon aussi minuscule, M. Helm a utilisé un faisceau d'ions de haute précision d'un diamètre de quelques nanomètres seulement comme outil de coupe. L'UTe2 est un matériau sensible à l'air. Par conséquent, Helm prépare les échantillons sous vide et les scelle ensuite dans de la colle époxyde. "Pour prouver définitivement que notre matériau est un supraconducteur de spin-triplet, nous devrions l'examiner par spectroscopie lorsqu'il est exposé à des champs magnétiques intenses. Cependant, les méthodes actuelles de spectroscopie ne sont pas encore adaptées à des champs magnétiques supérieurs à 40 teslas. Avec d'autres équipes, nous travaillons également à la mise au point de nouvelles techniques. À terme, cela nous permettra d'apporter une preuve définitive", déclare Helm avec confiance.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Toni Helm, Motoi Kimata, Kenta Sudo, Atsuhiko Miyata, Julia Stirnat, Tobias Förster, Jacob Hornung, Markus König, Ilya Sheikin, Alexandre Pourret, Gerard Lapertot, Dai Aoki, Georg Knebel, Joachim Wosnitza, Jean-Pascal Brison; "Field-induced compensation of magnetic exchange as the possible origin of reentrant superconductivity in UTe2"; Nature Communications, Volume 15, 2024-1-2
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