Une percée publiée dans Physical Review X
Un pas vers la prédiction de la supraconductivité à haute température
Photo : Michel Caron, UdeS
Une nouvelle approche explique comment la chimie et la structure cristalline gouvernent la supraconductivité à haute température. Cette approche explique les comportements observés dans les cuprates multicouches et pave la voie vers une recherche systématique de composés supraconducteurs à température et à pression ambiantes.
La supraconductivité est un état de la matière fascinant dans lequel des paires d’électrons forment un état quantique à l’échelle macroscopique. Il existe une théorie complète capable d’expliquer et de prédire comment et à quelle température cet état apparaît dans les métaux tels que l’aluminium et le niobium, malheureusement toujours à très basse température. D’autres matériaux, tels que les dérivés d’oxyde de cuivre, nommés cuprates, deviennent supraconducteurs à des températures bien plus élevées, sans que la théorie traditionnelle ne puisse l’expliquer.
Le Pr David Sénéchal et le Pr André-Marie Tremblay, chercheurs de l’Institut quantique à l'Université de Sherbrooke, en collaboration avec des chercheurs de l’Institut de physique et chimie des matériaux de Strasbourg - IPCMS (Université de Strasbourg / CNRS) et de l’Université Rutgers, ont publié une avancée significative dans la revue Physical Review X concernant la supraconductivité à haute température.
Ces physiciens ont développé une approche théorique qui, à terme, permettrait de prédire les propriétés supraconductrices à haute température des matériaux simplement à partir de leur composition chimique et des principes de base de la mécanique quantique. Cette nouvelle approche théorique pourrait mener à la découverte de matériaux qui deviendraient supraconducteurs à une température proche de la température ambiante, ce qui pourrait entraîner d’importants développements technologiques exploitant la supraconductivité, comme des capteurs, des dispositifs pour l’ordinateur quantique ou des appareils d’imagerie médicale, qui fonctionneraient à la température ambiante, sans nécessiter de réfrigération.
C’est en mettant au point une méthode permettant de prédire les propriétés supraconductrices des cuprates, à partir des principes de base de la mécanique quantique, que le groupe de chercheurs a fait un pas très important vers la formulation d’une théorie de la supraconductivité à haute température critique.
L’efficacité de la méthode est démontrée par l’étude de deux familles de cuprates multicouches : Ca(1+n)CunO2nCl2 (n=1,...,5) et HgBa2Ca(n-1)CunO(2n+2). Ces derniers détiennent le record de la température la plus élevée à laquelle ils deviennent supraconducteurs à la pression ambiante. À partir de la structure cristalline et d’un paramètre fixe, les chercheurs ont reproduit et expliqué de nombreux résultats expérimentaux. En particulier, le fait que les composés tri-couches (n=3) soient plus favorables pour la supraconductivité. Deux facteurs antagonistes expliquent ce résultat : la présence de plans de dioxyde de cuivre internes ayant des propriétés avantageuses pour la supraconductivité, mais une distribution inhomogène des électrons défavorisant ces plans internes.
En allant au-delà de la modélisation antérieure qui pouvait difficilement lier les prédictions aux spécificités de chaque matériau, ce travail constitue un premier pas vers un programme de recherche fascinant, en particulier pour la conception de nouveaux composés supraconducteurs plus performants, et aussi pour une compréhension fondamentale du lien entre supraconductivité et composition atomique des matériaux.
Vers la résolution de l’un des problèmes les plus importants en physique
Pour le Pr Sénéchal et le Pr Tremblay, cette publication est le fruit de plusieurs décennies de recherche :
Il s’agit d’un problème qui a été à l’avant-plan des recherches depuis 1987 et a été considéré comme un des problèmes les plus importants en physique. Malgré plusieurs comparaisons avantageuses avec l’expérience basées sur des modèles approximatifs simples, ce qui manque pour convaincre la communauté scientifique de la validité de l’approche utilisée est la possibilité de faire des prédictions spécifiques à chaque matériau. C’est ce qui a été fait pour ces composés multicouches.
Professeur André-Marie Tremblay, département de physique, UdeS
Pour mener à bien cette recherche, deux approches puissantes ont été combinées : la méthode de la fonctionnelle de densité (DFT) et la théorie de champ moyen dynamique (DMFT). La DFT est très largement utilisée dans la communauté scientifique, mais décrit mal les matériaux dits corrélés, dans lesquels les interactions entre électrons sont particulièrement importantes. Au contraire, la DMFT a été conçue pour décrire ces interactions, mais essentiellement dans des modèles simples des matériaux.
Les deux méthodes ont déjà été combinées dans le passé, mais des défis techniques ne permettaient pas de décrire la supraconductivité. Nous avons franchi cette étape.
Professeur David Sénéchal, département de physique, UdeS
Leur succès n'aurait pas été possible sans la collaboration de chercheurs comme Benjamin Bacq-Labreuil, chercheur postdoctoral de l’Institut quantique, qui a réussi à combiner les outils développés par Kristjan Haule et par Pr David Sénéchal pour produire le logiciel qui a permis ces avancées. Sans oublier les contributions des étudiants comme Benjamin Lacasse, un stagiaire qui a permis de valider l’une des hypothèses. Ensemble, ils ont franchi une étape importante dans la quête de la supraconductivité à haute température, ouvrant la voie à une nouvelle ère de découvertes scientifiques.