Physique fondamentale Des avancées sur les supraconducteurs à haute température et à base de fer mettent en évidence les mécanismes de la supraconductivité
L'été 2008 voit une moisson spéciale d'avancées significatives dans l'étude de la supraconductivité. Trois groupes de physiciens de l'Institut de Physique de la CAS (Chinese Academy of Science Institute of Physics, CAS IOP) et un avec l'université de Sciences et de Technologies de Chine (USTC) ont, l'un après l'autre, fait de remarquables progrès dans l'étude de matériaux à base de fer après la découverte du groupe de H. Hosono au Japon, apportant une nouvelle lumière sur les mécanismes fondamentaux de la conductivité à haute température (high-temperature superconductivity, HTSC), une énigme [1] ; en effet, depuis près de deux décennies, la supraconductivité est considérée comme le sujet le plus important de la physique du solide, et aucune théorie n'est actuellement satisfaisante pour décrire le phénomène de la supraconductivité à haute température critique.
L'énigme de la supraconductivité à haute température
La supraconductivité est ce phénomène quantique fascinant qui a lieu dans certains matériaux à température extrêmement basse et qui comprend la disparition des résistances électriques et champs magnétiques internes à un matériaux. Elle est l'objet d'une grande attention de la part des scientifiques. La découverte de la supraconductivité à haute température dans des oxydes de cuivre ou dans des cuprates, en 1986, a provoqué de nouvelles vagues d'enthousiasme pour ce sujet et de nombreux supraconducteurs à haute température à base de cuprates ont été synthétisés. Cependant, depuis longtemps, le mécanisme sous-jacent à la supraconductivité à haute température est resté insaisissable, malgré que les scientifiques aient réussi à mieux la comprendre grâce au mécanisme de superconductivité conventionnelle.
Jusqu'à présent, la théorie BCS basée sur l'interaction de couplage électron-phonon est l'un des progrès les plus connus pour expliquer ces propriétés inattendues des superconducteurs conventionnels. Cette théorie, qui a été développée par John Bardeen, Leon N. Cooper et John R. Schrieffer en 1957 et qui a décroché le Prix Nobel de Physique en 1972, suggère que la disparition de la résistance électrique est due à la formation de paires d'électrons à température très basses, malgré leur interaction avec le réseau cristallin. Se basant sur la notion que la résistance électrique résulte de la perte d'énergie produite lorsque les électrons libres entrent en collision avec les vibrations du réseau cristallin ou les défauts du matériau, cette théorie défend l'idée qu'à températures extrêmement basses il n'y a pas l'énergie nécessaire pour séparer ces paires, donc que rien ne peut les détourner de leur chemin. Autrement dit, puisqu'il n'y a pas l'énergie suffisante pour séparer ces paires, elles ne peuvent rencontrer aucune résistance électrique. Cependant, l'on doute que cette théorie puisse expliquer la supraconductivité des cuprates, puisque la résistance électrique de ces derniers est nulle à une température critique de transition aussi élevée que 138 kelvin (-135,15°C), pour laquelle l'énergie est suffisante à rompre l'appariement des électrons - alors appelés paires de Cooper. Les cuprates étant les seuls supraconducteurs de haute température connus jusqu'alors, l'étendue des données disponibles pour l'exploration théorique restait relativement restreinte. Il ne manquait aux scientifiques qu'un matériau supraconducteur à haute température qui ne fît pas partie des cuprates pour explorer de nouvelles pistes théoriques.
La récente avancée : une percée
La dernière série de découvertes relative aux supraconducteurs à haute température critique, par des chercheurs japonais et chinois, et le débat qui s'ensuivit sont porteurs de nouveaux espoirs pour sortir de cette impasse. Peu après la synthèse de l'oxyde de lanthane fluor arséniure de fer (LaO1-xFxFeAs), un supraconducteur de température critique ( Tc ) de 26 Kelvin (-247,15°C) par un groupe de chercheurs japonais du Tokyo Institute of Technology (TIT), trois groupes de chercheurs à l'IOP et oun groupe à l'USTC ont rapporté qu'ils avaient réussi à induire de la semi-conduction à haute température dans différents matériaux à base de fer.
L'IOP fut mis sous les feux de la rampe lorsque deux de ses groupes de recherche, dirigés respectivement par les professeurs WANG Nanlin et WEN Haihu, ont confirmé le résultat obtenu par le groupe du TIT dans la semaine suivant sa publication. Et le 25 mars, un groupe de l'USTC, dirigé par le professeur CHEN Xianhui a annoncé qu'ils avaient constaté l'existence de supraconductivité à une Tc de 43°K (-230,15°C) dans l'oxyde de samarium fluor arseniure de fer (Sm1-xOxFxFeAs). Un jour plus tard, le groupe du Professeur Wang Nanlin annonce qu'il ond découvert un autre supraconducteur, le Ce(O1-xFx)FeAs, doté d'une Tc de 41°K. Ces deux résultats, indépendants l'un de l'autre, constituent une avancée, puisque la température critique dépassa les 39°K, la limite supposée de McMillan, et peuvent donc être défini comme supraconducteurs non conventionnels. Conséquemment, ces gens ont également rapporté qu'on pourrait élever la Tc d'environ 50°K en substituant l'élément La avec d'autres éléments, plus petits, de terres rares, par exemple.
Cette surprenante émergence d'importantes découvertes de l'IOP n'est pas tant le fruit du hasard que ce qu'il n'y paraît. Lorsqu'on lui demande ce qui a permis à l'IOP de répliquer aussi rapidement et de parvenir à des avancées aussi significatives en si peu de temps, le directeur de l'IOP, le professeur WANG Yupeng, un théoricien spécialisé dans la physique de la matière condensée, attribue ceci à l'expérience acquise à l'IOP, au cours des années, en recherche dans le champ des supraconducteurs aux cuprates à haute Tc. "Nous avons une université de très haut niveau, un environnement de travail de recherche excellent, un soutien constant de la part du gouvernement, qui permet aux scientifiques de se consacrer exclusivement aux problèmes importants concernant nos thématiques de recherches. Cet institut commence à devenir reconnu comme centre mondial d'excellence scientifique avec cependant un budget réduit, comparé aux établissements occidentaux, de 25 millions de dollars à l'année."
Obtenir une supraconductivité à haute température
Le groupe du Pr. Wang Nanlin a fait grandir des cristaux simples de LaOFeAs depuis décembre dernier, dans l'idée d'examiner leurs propriétés électriques. Le groupe du Pr. Zhao de l'IoP, qui conduit des recherches sur la supraconduction à haute Tc depuis 1987, a rapporté, le 28 mars dernier, une Tc de 52°K (-221,15°C) dans un nouveau supraconducteur, composé d'arséniure de praséomyde (PrO1-xFxFeAs). Cet événement constitue une première car jusqu'ici, aucun système, en-dehors des cuprates, n'a jamais atteint une Tc supérieure à 50°K. Peu après, ils découvrent les systèmes Nd[O1-xFx]FeAs, et Sm[O1-xFx]FeA dotés de Tc respectives de 51.9 et 55 kelvin, confirmant explicitement le potentiel des composés quaternaires fer-arséniure comme nouvelle famille de matériaux supraconducteurs à haute Tc . Le dernier composé a été obtenu par une nouvelle méthode de synthèse à haute pression, qui permettait d'augmenter le dopage à la fluorine des sites oxygénés et donc obtenir une Tc plus élevée. Jusqu'ici, c'était le système doté de la Tc la plus élevée de tous les systèmes dépourvus de cuprates. De plus, quelques jours plus tard, ils firent état de l'existence d'un même type de supraconductivité dans cinq groupes de matériaux appartenant à la même famille quaternaire, les ReFeAsO1-d pour lesquels Re symbolise les éléments de terre rares Sm, Nd, Pr, Ce, ou La. Au lieu de doper ces systèmes au Fluor, ils ont cherché à induire de la supraconductivité par des lacunes en oxygène dans le réseau cristallin, en prouvant qu'ils pouvaient le faire pour les 5 groupes, et montrer que cela constituait en réalité une approche plus efficace. Celle-ci offre un support d'étude beaucoup plus simple ; et la découverte de cette possibilité d'application devrait faciliter de futures expériences et travaux théoriques conduits dans ce sens.
Bien évidemment, la température de transition obtenue grâce à ces matériaux, est exceptionnellement élevée et a reçu des acclamations du monde entier. Malgré que certains composés de la famille parente du nouveau système aient montré des propriétés supraconductrices à des températures extrêmement basses, de l'ordre de 3 à 5 Kelvin, aucun d'entre eux n'a montré de supraconductivité au-dessus de 20 Kelvin. Le plus frappant, cependant, est l'établissement d'une supraconductivité à haute température dans des matériaux à base de fer, ce qui a été cru impossible durant longtemps à cause de la coexistence du ferromagnétisme au sein de ses matériaux, et qui se trouve être un phénomène antagoniste à la supraconductivité. Cette anomalie est tout particulièrement intéressante pour les théoriciens car elle augure d'autres découvertes, plus fondamentales.
Travaux aux limites de la théorie
La mise en évidence du lien possible entre l'instabilité de l'onde de densité de spin (spin-density-wave, SDW) et l'anomalie de résistivité d'un nouveau système est considérée comme un encouragement, permettant la révélation du mécanisme de supraconductivité à haute température. A travers sa coopération avecun autre groupe de l'IoP (Institute of Physics, l'institut de la Physique de l'Académie des Sciences chinoises) dirigé par le Pr. Fang Zhong, le groupe du Pr. Wang Nanlin a distingué que l'instabilité antiferromagnétique liée au SDW entrait en compétition avec la supraconductivité dans le système LaO1-xFxFeAs. Les deux groupes ont montré que cette instabilité de onde de densité de spin pourrait être responsable de l'anomalie de résistance qui a lieu à environ 150°K dans des LaOFeAs non dopés. Cependant, quand les échantillons sont dopés au fluor, l'instabilité est supprimée, ce qui mène à l'état de superconduction. Ils montrent que des compétitions similaires ont lieu dans d'autres systèmes de terres rares substituées. L'instabilité de l'onde de densité de spin qui a lieu dans le composé non dopé a été confirmée par des études de diffractions de neutrons conduites par deux groupes indépendants aux Etats-Unis. La température critique découverte par le groupe du Pr. Wang, dans les échantillons de CeOFeAs, est étonamment haute - 14°K - et suggère des pistes intéressantes pour analyser le phénomène de concurrence. En réalité, en concommittance avec ce travail, le groupe du Pr. Zhao a prouvé qu'aménager des lacunes en oxygène dans le système est une approche plus efficace que le dopage au Fluor pour induire une supraconductivité dans ce type de matériaux, et permet de conduire à une température critique plus élevée.
D'un autre côté, la découverte faite par le groupe du Pr. Wen attire également l'attention, car elle suggère que l'on puisse grâce à elle prendre en défaut la dernière hypothèse proposée par le groupe TIT dirigé par le chimiste Hideo Hosono. Le groupe TIT a, en février, publié explicitement dans leur papier qu'un facteur critique pour l'apparition de la supraconductivité dans le nouveau système de supraconducteur est le dopage électronique, plutôt que le dopage aux trous. Ceci implique que la supraconductivité ne peut être obtenue qu'en introduisant des électrons surnuméraires plutôt que des défauts d'électrons, induits par la présence d'ions positifs dans la structure du matériau. En un mois seulement, cependant, les nouveaux résultats du groupe du Pr. Wen ont contrecarré cette hypothèse en induisant avec succès le phénomène de supraconductivité dans des matériaux dopés aux trous appartenant au même système. Si d'autres expériences le confirment, ce résultat pourrait également conduire à de nouvelles idées.
Perspectives futures
Ces nouveaux progrès concernant les matériaux à base de fer, qui constituent le seul système hors cuprates permettant d'atteindre une hautre température critique, peuvent conduire à de nouveaux éclaircissements concernant les mécanismes de supraconduction, qui est, d'après les chercheurs et certains théoriciens renommés, notamment le Prix Nobel de Physique Philip Anderson, l'un des problèmes les plus abstrus de la physique de la matière condensée. D'autres chercheurs, de l'IoP notamment, émettent plus de réserves et pensent que la route est encore longue avant que l'on puisse réellement aborder les mystères fondamentaux du mécanisme de supraconduction à haute température.
Néanmoins, ces nouvelles pistes induisent beaucoup d'optimisme. "Cette fois, nous pensons avoir repris le dessus", fait remarquer le Dr. Wang : "la Chine devient une puissance scientifique, et cela est dû à des investissements croissants en recherche fondamentale et à nos excellentes équipes de chercheurs. De jeunes scientifiques ont contribué de façon éclatante durant ces derniers mois, depuis qu'ils nous ont rejoints, comme par exemple le Dr. Chen Genfu dans l'équipe du Pr. Want Nanlin, et le Dr. Ren Zhi'an dans le groupe du Pr. Zhao. Bien évidemment, nous avons encore des problèmes. La plupart des scientifiques attendent un soutien plus stable de la part du gouvernement et des mécanismes d'évaluation plus raisonnables, au vu de leurs rôles essentiels dans la création de résultats innovants".
