Recherche sur les matériaux quantiques

Une nouvelle pièce du casse-tête dans le domaine de la supraconductivité

Louis Taillefer, professeur au Département de physique et Nicolas Doiron-Leyraud, chercheur.
Louis Taillefer, professeur au Département de physique et Nicolas Doiron-Leyraud, chercheur.
Photo : Université de Sherbrooke

Qu’est-ce qui anime une ou un chercheur? Une énigme. Un casse-tête difficile à résoudre. Or, un des grands problèmes de la physique contemporaine est de percer le mystère de la supraconductivité à haute température, un sujet au cœur des travaux de l’équipe du professeur Louis Taillefer.

À de très basses températures (environ -270 °C), les matériaux supraconducteurs ont une résistance électrique nulle, un phénomène spectaculaire qui promet de multiples applications dans des domaines comme la médecine, les communications et le transport d’énergie. Une famille de matériaux surpasse toutes les autres : les supraconducteurs à base de cuivre et d’oxygène : les cuprates. Ceux-ci deviennent supraconducteurs à des températures record, donnant beaucoup d’espoir de voir un jour un supraconducteur à température ambiante. Cependant, malgré bientôt 30 ans d’intenses recherches, cette supraconductivité à haute température dans les cuprates demeure un mystère incompris.

En 2007, le professeur Taillefer a fait une avancée scientifique importante en observant des « oscillations quantiques » dans un cuprate, prouvant hors de tout doute qu’ils sont des métaux. Ces oscillations sont la signature la plus directe des électrons dans un métal et, en les mesurant, les physiciens arrivent à mieux comprendre leur structure et leur comportement, une étape incontournable pour étudier l’origine de la supraconductivité. Or, à la suite de cette découverte, des questions demeurent. « Nous avions un doute qu’il restait une partie du puzzle à découvrir, commente Nicolas Doiron-Leyraud, chercheur membre de l’équipe. L’image que nous avions nous semblait incomplète ». Comment faire alors pour compléter l’image? On doit trouver une façon plus fine de détecter les oscillations des électrons. Et si cette façon n’existe pas? On l’invente!

Élucider la structure électronique des cuprates

Dans le laboratoire du professeur Taillefer à Sherbrooke, l’équipe a développé un appareillage de détection basé sur les propriétés thermo-électriques du matériau – et non plus seulement électriques. Grâce aux plus grands champs magnétiques au monde disponibles aux États-Unis et en France, l’équipe a pu mesurer de façon encore plus précise les oscillations des électrons dans les cuprates.

Cette nouvelle génération de travaux a finalement permis de détecter une nouvelle fréquence d’oscillations, jamais observée auparavant. « C’est comme si nous avions enfin mis le doigt sur une partie manquante des électrons, ajoute Nicolas Doiron-Leyraud. Cette découverte nous donne maintenant une image complète de la structure électronique des cuprates et, surtout, elle nous permet de comprendre son origine. Ça devient alors un nouveau point de départ pour comprendre plusieurs autres phénomènes des cuprates et, peut-être un jour, la cause de leur supraconductivité à haute température. »

« Les oscillations quantiques en 2007, c’était la pointe de l’iceberg, qui se dévoile rapidement depuis, raconte Louis Taillefer. Ça nous a mené à la découverte d’une nouvelle phase de la matière – qu’on appelle « onde de charge » –  qui coexiste avec la supraconductivité dans ces matériaux. Quel est le rôle de cette phase ? Là est la grande question maintenant ».

Des collaborations internationales

Ces travaux sur le comportement des électrons dans les cuprates ont été effectués en collaboration avec des chercheurs de l’Université de Colombie Britannique à Vancouver et du Laboratoire national des champs magnétiques intenses à Toulouse, en France, dans le cadre du programme sur les Matériaux quantiques de l’Institut canadien de recherches avancées. Les résultats de recherche sont publiés dans le prestigieux journal Nature Communications.