Des chercheurs canadiens ont observé une compétition entre la supraconductivité et un état quantique mystérieux, le pseudogap, dans des matériaux à haute température. Cette découverte pourrait mener à des applications technologiques révolutionnaires.
La supraconductivité face au pseudogap
Une étude publiée dans Nature Physics révèle une compétition entre la supraconductivité et le pseudogap, un état quantique complexe, dans les cuprates. Ces matériaux prometteurs pourraient permettre la transmission d’électricité sans perte. Menée par le professeur Fabio Boschini de l’Institut national de la recherche scientifique (INRS), l’étude utilise la spectroscopie photoélectronique résolue en angle et dans le temps (TR-ARPES) pour observer les états quantiques de la matière.
Les cuprates, composés à base de cuivre, suscitent l’intérêt des scientifiques depuis leur découverte il y a près de 40 ans. Ils promettent une transmission d’électricité sans perte, mais les mécanismes de leur supraconductivité restent mal compris. L’étude montre une forte compétition entre l’état de pseudogap et la supraconductivité, ce qui complique l’obtention d’une supraconductivité à des températures plus élevées.
Observer les états quantiques
Les chercheurs ont utilisé TR-ARPES au laboratoire Advanced Laser Light Source (ALLS) de l’INRS. En envoyant des impulsions lumineuses, ils ont temporairement supprimé la supraconductivité et observé en temps réel la réapparition du pseudogap. Cette méthode a permis d’identifier une relation dynamique entre les deux états, confirmant une rivalité déjà théorisée. Des améliorations de la technique, comme les travaux de Gauthier et al. sur l’expansion du champ de vision en ARPES, et l’utilisation de pompes MIR accordables, ont rendu cette observation possible.
Nous montrons réellement que ces états sont en compétition
, explique Olivier Gingras, chercheur associé au Flatiron Institute’s Center for Computational Quantum Physics (CCQ) et co-auteur de l’étude. Si les scientifiques pouvaient trouver un moyen de supprimer la formation du pseudogap tout en conservant la supraconductivité, il y aurait une chance d’augmenter la température de supraconductivité
. Il souligne ainsi les implications pour les technologies futures.
Le pseudogap limite la supraconductivité à haute température
Le pseudogap se manifeste dans certains cuprates à des températures supérieures à leur température de transition supraconductrice. Dans cet état, la résistance électrique diminue seulement dans certaines directions, contrairement à la résistance totalement nulle de la supraconductivité. Comprendre le développement du pseudogap pourrait indiquer comment l’empêcher, ouvrant ainsi la voie à une supraconductivité à des températures plus élevées. Selon Gingras, Il y a beaucoup de recherches en cours pour pousser cette température critique à des températures plus élevées
.
Les enjeux pour les technologies
Le pseudogap, un phénomène mal compris, limite l’exploitation des supraconducteurs à haute température. Les résultats de l’étude pourraient aider à concevoir des matériaux fonctionnant à des températures plus élevées, réduisant ainsi les coûts de refroidissement. Comprendre comment il interagit avec la supraconductivité est essentiel pour expliquer pourquoi ces matériaux peuvent conduire l’électricité sans perte d’énergie à des températures inhabituellement élevées
, affirme le professeur Boschini. La supraconductivité a le potentiel de révolutionner la technologie, mais sa température critique limitée, même pour les cuprates les plus performants (inférieure à 151 Kelvin, soit environ -188 degrés Fahrenheit), reste un défi majeur.
La manipulation des états quantiques dans les cuprates permet de sonder leurs interactions. En supprimant temporairement la supraconductivité avec une impulsion lumineuse, les chercheurs ont observé la réapparition immédiate du pseudogap. Cette observation confirme une relation compétitive postulée depuis longtemps. Les travaux de Hashimoto et al. ont également contribué à la compréhension du pseudogap.
Les recherches ont été financées par plusieurs organismes, dont la Fondation canadienne pour l’innovation, le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, ainsi que la Sloan Foundation.
Quelles sont les prochaines étapes ?
Bien que l’étude établisse une compétition entre le pseudogap et la supraconductivité, de nombreux mystères demeurent. Notre étude révèle qu’ils sont en compétition l’un avec l’autre et fournit de nouvelles informations sur leur comportement lorsqu’ils sont tous deux excités simultanément
, reconnaît Olivier Gingras. Les recherches futures devront explorer ces dynamiques pour mieux maîtriser les propriétés des cuprates. Il est également possible que les états soient symbiotiques, le pseudogap représentant un préambule à l’état supraconducteur.
Les résultats, publiés dans Nature Physics, ouvrent la voie à des avancées dans les technologies quantiques, mais nécessitent des modèles théoriques plus précis pour comprendre pleinement ces phénomènes. La combinaison de méthodes expérimentales comme TR-ARPES et de calculs théoriques de haute précision est essentielle pour progresser. Gingras souligne que le développement de tels calculs reste un défi important, un travail très lent et pénible
.