D'étranges « singularités » responsables d'un type exotique de supraconductivité

Les supraconducteurs qui fonctionnent à des températures bien supérieures au zéro absolu ont déconcerté les scientifiques depuis leur découverte. Une nouvelle théorie pourrait être sur le point de changer cela.

Les physiciens ont découvert un mystérieux mécanisme responsable de la supraconductivité à haute température, et cela pourrait aider à la recherche de l'un des « Saint Graal » de la physique.

La nouvelle découverte, connue sous le nom de supraconductivité oscillante, identifie un processus qui permet aux matériaux de devenir supraconducteurs à des températures beaucoup plus élevées que la normale, ouvrant la voie à la découverte de matériaux supraconducteurs à température ambiante qui pourraient faciliter la transmission d'énergie presque sans perte. Les chercheurs ont publié leurs résultats le 11 juillet dans la revue Physical Review Letters.

"L'un des Saint Graal de la physique est la supraconductivité à température ambiante qui est suffisamment pratique pour les applications de la vie quotidienne", a déclaré Luiz Santos, professeur adjoint de physique à l'Université Emory, dans un communiqué. "Cette avancée pourrait changer la forme de la civilisation."

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La supraconductivité émerge des ondulations provoquées par les électrons lorsqu’ils se déplacent dans un matériau. À des températures suffisamment basses, ces ondulations attirent les noyaux atomiques les uns vers les autres, provoquant à leur tour un léger décalage de charge qui attire un deuxième électron vers le premier.

La force de cette attraction provoque quelque chose d’étrange : au lieu de se repousser par la force de répulsion électrostatique, les électrons se lient en une « paire de Cooper ».

Les paires de Cooper suivent des règles de mécanique quantique différentes de celles des électrons solitaires. Au lieu de s’empiler les unes sur les autres pour former des coquilles d’énergie, elles agissent comme des particules de lumière dont un nombre infini peut occuper le même point de l’espace en même temps. Si suffisamment de ces paires de Cooper sont créées dans un matériau, elles deviennent un superfluide, s'écoulant sans aucune perte d'énergie due à la résistivité électrique.

Les premiers supraconducteurs, découverts par le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes en 1911, sont passés à cet état de résistivité électrique nulle à des températures incroyablement froides – proches du zéro absolu (moins 459,67 degrés Fahrenheit ou moins 273,15 degrés Celsius). Pourtant, en 1986, les physiciens ont découvert un autre type de matériau, appelé cuprate, qui devient un supraconducteur à une température beaucoup plus chaude (mais toujours très froide) de moins 211 F (moins 135 C).

Les physiciens espéraient que cette découverte mènerait à la découverte de supraconducteurs à température ambiante, ce qui ouvrirait la porte à la transmission de l'électricité presque sans perte. Pourtant, les découvertes ont échoué et les récentes allégations concernant des supraconducteurs à température ambiante se sont soldées par un scandale et une déception.

Jusqu'à présent, l'incapacité à trouver des supraconducteurs à température ambiante et à pression ambiante provenait en partie d'un manque de compréhension parmi les physiciens des conditions théoriques qui permettent aux électrons de former des paires de Cooper à des températures relativement élevées (environ trois fois plus basses que celles d'un congélateur standard). température).

Pour étudier cela, les chercheurs à l'origine de la nouvelle étude se sont concentrés sur une forme particulière de supraconductivité à haute température qui apparaît lorsque les paires de Cooper s'organisent selon des modèles oscillants appelés ondes de densité de charge. La relation entre les ondes, une sorte de danse de masse synchronisée entre des paires d'électrons à travers un matériau, a un lien complexe avec la supraconductivité : dans certaines circonstances, les ondes noient l'effet, tandis que dans d'autres, elles aident à coller les électrons ensemble.

En modélisant ces ondes, les physiciens ont découvert que la clé de leur émergence était probablement une propriété connue sous le nom de singularité de Van Hove. Habituellement, en physique, l’énergie d’une particule en mouvement est, de manière plutôt intuitive, liée à la vitesse à laquelle elle se déplace.

Mais certaines structures matérielles enfreignent cette règle, permettant à des électrons de vitesses différentes d’exister aux mêmes énergies. Lorsque toutes les énergies des électrons sont égales, ils peuvent interagir et s’associer pour former plus facilement des paires de Cooper dansantes.