Supraconductivité à haute température : un nouvel ordre magnétique aux origines du phénomène ?

Découverte en 1911, la supraconductivité est un état de la matière caractérisée par l’absence de résistance électrique et l’annulation du champ magnétique. Les matériaux supraconducteurs sont ainsi en mesure de conduire le courant électrique sans déperdition d’énergie. Pour devenir supraconducteur, ces matériaux doivent classiquement être portés à une température extrêmement basse, qui peut varier entre 1 et 20 K (soit entre -272 et -253 degrés Celsius), mais qui reste proche du zéro absolu.

Depuis 1987 cependant, la supraconductivité n’est plus confinée à ces températures extrêmes : les chercheurs ont découvert que certains matériaux à base d’oxyde de cuivre étaient capables d’atteindre l’état supraconducteur à une température de 135 K (-138 degrés Celsius). Alors que les supraconducteurs classiques nécessitent un refroidissement à l’hélium liquide, ces matériaux, appelés supraconducteurs à haute température critique, peuvent être simplement refroidis à l’azote liquide, ce qui pourrait rendre leur utilisation beaucoup plus accessible.

Pour expliquer ce phénomène de la supraconductivité à haute température, les physiciens doivent parvenir à élucider le comportement particulier de ces matériaux qui, avant de devenir supraconducteurs, passent par une phase totalement inédite. Au cours de cette phase intermédiaire, appelée phase de « pseudo-gap », apparaissent des propriétés électroniques anormales, qui ne correspondent pas au comportement des métaux conventionnels.

Plusieurs modèles théoriques ont été proposés pour décrire cette phase de pseudo-gap. L’un d’entre eux, celui du professeur C.M. Varma, de l’Université de Riverside (Californie), postule l’existence d’un ordre caché d’où émergerait l’état supraconducteur de la matière : en dessous d’une certaine température, apparaîtrait un nouvel état de la matière dans lequel des boucles microscopiques de courant électrique se formeraient de manière spontanée. La phase de pseudo-gap résulterait de l’apparition de ces nano-boucles de courant.

C’est cette théorie qu’une équipe du Laboratoire Léon Brillouin (CEA/CNRS), en collaboration avec une équipe de l’université du Minnesota (USA), vient de valider, grâce aux observations réalisées avec le spectromètre à neutrons polarisés IN20(1) de l’Institut Laue Langevin (ILL). En effet, pour la première fois, l’équipe a pu ainsi observer une excitation magnétique insoupçonnée, présentant une très faible dispersion et n’existant exclusivement que dans la phase de pseudo-gap. Ce comportement est celui attendu lorsqu’on postule l’existence de nano-boucles de courant. Après la mise en évidence d’un ordre magnétique dans la phase pseudo-gap en 2006, l’observation de ses excitations magnétiques renforce donc la théorie d’une origine magnétique de la supraconductivité à haute température. L’interprétation de ce phénomène fascinant semble proche, mais ces observations doivent encore être validées sur d’autres composés.

Expliquer les performances de ces matériaux supraconducteurs à haute température critique est un vrai défi. De nombreux laboratoires sont en compétition à travers le monde pour découvrir les fondements théoriques de la supraconductivité à haute température critique. Les enjeux scientifiques et technologiques sont majeurs car les contraintes liées aux très basses températures nécessaires pour atteindre l’état supraconducteur de la matière restent un frein au développement des technologies utilisant la supraconductivité.