Lorsqu’il est soumis à une haute pression, un matériau quantique peut devenir supraconducteur à des températures nettement plus élevées que sans cette pression. Des scientifiques à l’Institut Paul Scherrer PSI ont étudié ce phénomène à l’aide de muons. Leur étude fournit de nouveaux éléments sur l’apparition de la supraconductivité non conventionnelle. Elle contribue ainsi à la recherche de supraconducteurs qui fonctionnent à des températures adaptées à une utilisation pratique: une condition préalable essentielle au développement de technologies efficaces sur le plan énergétique.
Les supraconducteurs sont considérés depuis longtemps comme la botte secrète du secteur énergétique du futur. Ils peuvent conduire le courant électrique sans résistance, ce qui élimine les pertes de conduction et la chaleur résiduelle. Mais à ce jour, les supraconducteurs ne sont utilisés que dans des cas spéciaux, par exemple dans les bobines magnétiques immensément puissantes d’accélérateurs de particules comme le Grand collisionneur de hadrons (Large Hadron Collider ou LHC) au CERN. En effet, les supraconducteurs doivent être bien refroidis, parfois à des températures extrêmement basses pour certains matériaux. A l’avenir, des matériaux innovants dotés de propriétés quantiques bien particulières devraient permettre la supraconductivité à des températures moins glaciales et plus faciles à atteindre. Pour la première fois, à l’Institut Paul Scherrer PSI, une équipe de recherche emmenée par Zurab Guguchia a caractérisé de manière exhaustive l’un de ces matériaux quantiques. Ces travaux permettent de comprendre en détail ces processus et facilitent la recherche de supraconducteurs utilisables. Les résultats ont été publiés dans la revue spécialisée Nature Communications.
«Actuellement, des travaux de recherche sont menés dans le monde entier sur de nouveaux supraconducteurs non conventionnels présentant une supraconductivité robuste, même à des températures plus élevées et en présence de champs magnétiques externes puissants», explique Zurab Guguchia. Ce physicien dirige un groupe de recherche au Centre de recherche avec neutrons et muons, et travaille avec son équipe sur les matériaux du futur.
Matériau en couches doté de propriétés surprenantes
Pour leurs nouvelles expériences, Zurab Guguchia et son équipe ont choisi un matériau qui se distingue par toute une série de propriétés quantiques inhabituelles. Le disulfure de tantale fait partie d’une classe de matériaux composés de couches extrêmement minces. Il ne présente pas de supraconductivité à haute température, mais ses propriétés intéressantes permettent la réalisation d’expériences passionnantes. «Sa formule chimique est extrêmement simple, a priori: un atome de tantale pour deux atomes de soufre, décrit Zurab Guguchia. Mais à l’intérieur, c’est un matériau d’une énorme complexité, doté de propriétés carrément paradoxales.»
Lorsqu’on fabrique le disulfure de tantale de la bonne manière, il se forme toujours une alternance de deux couches qui présentent un agencement atomique différent. «Par conséquent, les propriétés électroniques de ces deux couches sont elles aussi complètement opposées», poursuit le chercheur. A haute température, les deux couches sont métalliques et conduisent des électrons. Mais lorsqu’on les refroidit, il se produit quelque chose d’étrange: l’une des couches devient isolante, alors que l’autre devient supraconductrice. Le disulfure de tantale ne conduit alors le courant électrique dans la couche supraconductrice que dans un seul plan, alors que les couches isolantes ne laissent pas passer les électrons.
Mais si l’on refroidit ce matériau de manière extrême à un degré au-dessus du zéro absolu, il se produit quelque chose d’inhabituel: «D’un seul coup, tout le matériau devient supraconducteur, relève Zurab Guguchia. Autrement dit, les couches isolantes deviennent conductrices, elles aussi, et participent à la supraconductivité.» Si l’on soumet le matériau à une haute pression, la température à laquelle le phénomène se produit augmente elle aussi. Jusqu’à présent, on ignorait la raison exacte de ce phénomène, faute de bien comprendre l’interaction des électrons au niveau atomique.
Les muons permettent de scruter le matériau en profondeur
C’est précisément à ce niveau qu’interviennent les expériences de l’équipe du PSI. Pour les conduire, les scientifiques disposent de méthodes expérimentales ultramodernes. L’une d’elle est essentielle: la spectroscopie de spin de muons.
Les muons sont des particules élémentaires similaires aux électrons, mais 200 fois plus lourdes. Leur durée de vie ne dépasse pas quelques millionièmes de seconde. Lorsqu’on les fait pénétrer de manière ciblée dans les matériaux, ils réagissent de manière extrêmement sensible aux propriétés magnétiques de leur environnement. Cela permet aux scientifiques d’examiner à très petite échelle ce qui se passe à l’intérieur d’un matériau. Pour ce genre d’expériences, le PSI est une adresse phare, car il exploite la source de muons la plus puissante au monde: la Source de Muons Suisse SμS.
«Les muons étant des sondes extrêmement sensibles aux propriétés magnétiques et supraconductrices, nous pouvons, ici au PSI, obtenir des informations uniques sur les matériaux magnétiques», explique Guguchia.
Hormis les mesures aux muons, l’équipe a utilisé également d’autres méthodes pour examiner la manière dont les électrons se déplacent dans le matériau. La combinaison de ces techniques leur a permis de réaliser une percée dans la compréhension du disulfure de tantale.
L’effet de la pression dans le matériau
Les scientifiques ont mené une série d'expériences au cours desquelles ils ont soumis le matériau à différentes pressions et ont analysé le comportement des électrons dans celui-ci à des températures très basses.
Deux facteurs jouent ici un rôle. A très haute pression – plusieurs centaines de fois supérieure à celle qui règne dans un pneu de voiture – les niveaux cristallins du disulfure de tantale sont fortement comprimés. Tout d’abord, cela induit un rapprochement des couches supraconductrices qui se retrouvent davantage en contact, de sorte que la couche d’atomes séparatrice isolante présente un effet perturbateur moindre. Ensuite, une partie des électrons est libérée dans la couche isolante et peut alors participer à la supraconductivité. «En raison de ces effets, la haute pression fait que le disulfure de tantale est supraconducteur dans toutes les trois dimensions, par des températures environ trois fois plus élevées», résume Zurab Guguchia à propos des mesures. Par ailleurs, le nombre d’électrons qui participaient à la supraconductivité a augmenté d’un facteur sept.
«Autrement dit, la pression n’élève pas seulement la température à laquelle la supraconductivité apparaît, mais elle modifie également la nature même de l’état supraconducteur, conclut le chercheur. Elle modifie la manière dont les électrons s’associent par paires et se déplace ensemble à travers le matériau, ce qui induit une forme plus robuste de supraconductivité.»
La supraconductivité dans des conditions plus proches du quotidien
La précision de ces résultats représente une aide précieuse pour les physiciens théoriciens qui, à l’avenir, pourront mieux décrire ces matériaux quantiques. Le but est de se rapprocher d’un objectif lointain: des matériaux sur mesure, qui soient supraconducteurs à hautes températures, idéalement à température ambiante, et sous pression atmosphérique. La voie qui y mène est encore semée de quelques défis, mais la recherche avance. «En étudiant des matériaux quantiques importants, nous voulons mettre au jour les mécanismes fondamentaux qui sous-tendent la supraconductivité, explique Zurab Guguchia. Notre objectif est de trouver des moyens pour optimiser les températures auxquelles la supraconductivité apparaît.»
A l’avenir, les scientifiques au PSI pourront pénétrer encore plus profondément dans l’univers fascinant des matériaux quantiques supraconducteurs. Car ces prochaines années, une mise à niveau de la source de muons dans le cadre du projet IMPACT (l’acronyme de: Isotope and Muon Production using Advanced Cyclotron and Target technologies) mettra à disposition des faisceaux de muons cent fois plus puissants. Le PSI dirige également le Pôle de recherche national Muoniverse du Fonds national suisse. En s’appuyant sur la source de muons du PSI, cette initiative regroupe au sein d’un consortium les activités de recherche sur les muons menées par des institutions de premier plan en Suisse. «Nous nous réjouissons des perspectives que ces développements vont nous offrir, souligne Zurab Guguchia. Car c’est précisément pour les travaux sur les matériaux quantiques supraconducteurs qu’ils ouvrent des possibilités expérimentales insoupçonnées.»
Texte: Dirk Eidemüller