Des chercheurs de l’Université hébraïque de Jérusalem ont découvert que le matériau supraconducteur diséléniure de niobium (NbSe2) dissimule deux états distincts qui interagissent pour n’en former qu’un seul. Cette percée résout une énigme de longue date et éclaire le comportement des électrons dans les technologies quantiques.
Les supraconducteurs, ces matériaux capables de transporter un courant électrique sans aucune perte d’énergie, fascinent les physiciens depuis des décennies. Pourtant, un matériau particulièrement bien étudié, le diséléniure de niobium (NbSe2), présentait un mystère de taille. Réduit à seulement quelques couches atomiques, les expériences paraissaient montrer un comportement supraconducteur relativement simple, caractérisé en particulier par un unique intervalle d’énergie, une caractéristique clé qui reflète la façon dont les électrons s’associent pour pouvoir se déplacer sans résistance électrique.
Deux ordres supraconducteurs masqués en un seul duo
Sous la direction du Prof. Oded Millo et du Prof. Hadar Steinberg, de l’Institut de physique Racah et du Centre de nanosciences et de nanotechnologie de l’Université hébraïque de Jérusalem, dont l’étude a été publiée dans Physical Review Letters, l’équipe a mené des mesures spectroscopiques par effet tunnel d’une grande sensibilité. Les chercheurs, incluant le doctorant Shahar Simon et l’étudiant en master Maya Klang, ont mis en évidence que le NbSe2 ne se comporte pas comme un supraconducteur direct régi par un seul ordre supraconducteur. Le matériau abrite en réalité deux ordres supraconducteurs différents qui interagissent si fortement qu’ils apparaissent comme un seul.
Les chercheurs ont déclaré que cela ressemblait un peu à l’écoute de ce qui semble être un chanteur unique, pour découvrir qu’il s’agit en réalité d’un duo parfaitement synchronisé,
ont the chercheurs.
Cette analogie musicale résume une complexité que les théories traditionnelles ne parvenaient pas à reproduire entièrement. En utilisant un modèle plus avancé qui comprend deux ordres supraconducteurs distincts, les chercheurs de l’Université hébraïque ont pu expliquer les mesures expérimentales beaucoup plus précisément, et la même approche a également rendu compte de la façon dont les matériaux se comportent lorsque des champs magnétiques sont appliqués.
Des tunnels unidimensionnels et le pont entre théories
Pendant ce temps, des scientifiques de Penn State University ont exploré une approche complémentaire pour identifier et prédire le comportement supraconducteur. Dirigée par le scientifique des matériaux Zi-Kui Liu et publiée dans Superconductor Science and Technology, l’équipe a mis au point une méthode reposant sur une méthode de calcul courante appelée la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) pour visualiser comment la densité d’électrons elle-même change lorsqu’un matériau devient supraconducteur.
Lorsque les atomes se déplacent légèrement de leurs positions normales — en imitant des vibrations naturelles appelées phonons —, la foule environnante d’électrons peut se réorganiser en tunnels droits et unidimensionnels — comme des autoroutes parfaitement lisses pour la charge. Les chercheurs appellent ces formations des « straight one-dimensional tunnels » ou SODTs. Dans les métaux simples comme l’aluminium et le plomb, ces tunnels sont apparus profondément à l’intérieur de la masse du matériau, où ils étaient facilement perturbés par les vibrations, expliquant pourquoi ces matériaux ne sont supraconducteurs qu’à des températures extrêmement basses.
La résistance thermique des matériaux à haute température
La situation change radicalement dans des composés plus complexes tels que le cuprate à haute température YBa₂Cu₃O₇, ou YBCO7. Dans ce matériau, l’équipe a découvert quelque chose de remarquable : les tunnels traversaient des couches atomiques lâchement connectées qui agissaient comme des pontons flottants, découplés du reste du cristal. Ces couches flexibles de type « ponton » protégeaient les tunnels des vibrations, permettant à la supraconductivité de survivre à des températures beaucoup plus élevées.
L’équipe a ainsi constaté que la version appauvrie en oxygène du composé, le YBCO6, ne montrait aucun de ces tunnels et se comportait comme un isolant — ce qui correspond aux expériences du monde réel. En revanche, lorsque de l’oxygène a été ajouté pour former YBCO7, des SODTs continus ont émergé le long des plans de cuivre-oxygène, ce qui est cohérent avec son comportement supraconducteur. Cette approche de l’équipe relie la théorie BCS, qui fonctionne bien pour les bas-températures, à un cadre visuel et informatique plus général qui explique également les cas à haute température.