Superconductivité : une énigme résolue avec des cristaux liquides ?

Un groupe de chercheurs de l'université de Waterloo (Canada) vient de publier dans Science un article qui aurait sans aucun doute retenu l'attention du physicienphysicien français Pierre-Gilles de Gennes s'il était encore parmi nous. Le parrain de Futura-Sciences décédé en 2007 s'était notamment fait un nom par ses travaux sur les supraconducteurs et les cristaux liquides. Cela fait un certain nombre d'années que les physiciens du solide ont constaté qu'il existait une connexion entre les deux phénomènes lorsque l'on tente de comprendre la physique de certains supraconducteurs exotiquesexotiques, les fameux cuprates.

Ces matériaux deviennent supraconducteurs en dessous d'une température plus élevée que les supraconducteurs conventionnels. Une particularité qui a laissé espérer - après leur découverte au milieu des années 1980 - que l'on pouvait peut-être obtenir des supraconducteurs à température ambiante. Plusieurs technologies en seraient bouleversées (fusion contrôlée, ordinateur quantiqueordinateur quantique, propulsion spatiale, etc.) et surtout, cela permettrait de faire des économies d'énergieénergie avec le transport d'électricité qui se ferait sans perte.

Malheureusement, les mécanismes derrière la supraconductivité des cuprates défient la théorie BCS. On sait qu'il se forme bien des paires de Cooper dans ces matériaux à hautes températures critiquestempératures critiques mais les raisons en sont inconnues. Il semble que le magnétisme joue un rôle. Les chercheurs s'orientent aussi sur des configurations particulières de densités de charges électroniques dans le réseau cristallinréseau cristallin des cuprates.

Des supraconducteurs cristallins passés aux rayons X

À la base, ces oxydes de cuivrecuivre contenant aussi de l'yttriumyttrium et du baryumbaryum sont constitués de couches cristallines formées de carrés aux sommets desquels se trouvent les atomesatomes de cuivre séparés par des atomes d'oxygèneoxygène. On parle alors d'un empilement de plans CuO₂, qui sont dopés avec des atomes supplémentaires qui sont généralement du strontiumstrontium ou du lanthanelanthane. On étudie donc ces matériaux depuis des années avec les méthodes de la cristallographiecristallographie, c'est-à-dire par diffusiondiffusion de faisceaux de neutronsneutrons ou de rayons Xrayons X. Du point de vue théorique, la physique quantique et la mécanique statistique des transitions de phasetransitions de phase, faisant grand usage de la notion de symétrie et donc de la théorie des groupes, sont mobilisés.

Cela a permis aux physiciens depuis quelques années de mettre en évidence le phénomène de transition électronique nématique dans certains cuprates. Ce nom étrange vient d'une connexion surprenante avec la physique des cristaux liquides. Rappelons que leur étude a commencé entre 1850 et 1880, avec l'observation de substances d'origine biologique qui présentaient plusieurs points de fusionfusion. Un peu plus tard, on a découvert qu'il s'agissait d'un état de la matièreétat de la matière où de longues moléculesmolécules s'ordonnent en combinant des propriétés d'un liquide conventionnel et celles d'un solide cristallisé.

Des orbitales qui s'orientent comme dans une phase nématique

Dans la phase nématique, bien que ces molécules soient presque orientées de façon aléatoire comme dans les liquides classiques, elles sont préférentiellement orientées dans une même direction. Il est possible d'utiliser un champ électriquechamp électrique pour contrôler cette direction, de sorte que les molécules peuvent être utilisées comme des interrupteurs, laissant passer ou non de la lumièrelumière.

Dans le cas des cuprates, les orbitales électroniques, c'est-à-dire en l'occurrence des régions allongées où se rencontrent le plus souvent les électronsélectrons connectant les atomes de cuivre et d'oxygène, s'orientent elles aussi de façon particulière. On a pu montrer que ces orbitalesorbitales pouvaient se comporter comme les molécules des cristaux liquides dans une phase nématique ; les physiciens soupçonnent que cela puisse jouer un rôle dans la formation des paires de Cooper, avec des électrons, qui rendent les matériaux supraconducteurs.

Les chercheurs canadiens n'ont donc pas démontré pour la première fois que des transitions électroniques nématiques existaient dans certains cuprates mais ils ont utilisé une nouvelle technique de diffusion des rayons X, avec une ligne de lumière disponible au Centre canadien de rayonnement synchrotronrayonnement synchrotron situé sur le campus de l'université de la Saskatchewan, à Saskatoon, pour poursuivre dans une nouvelle direction cette piste et résoudre l'énigme des cuprates.

Cela leur a permis de montrer pour la première fois de façon directe que le phénomène de transition électronique nématique devait être présent dans la majorité des cuprates.