Les spins des électrons expliquent en partie la supraconductivité

À une extrémité d'une bande de film mince, les électrons s'apparaient et circulaient sans résistance. À l'autre extrémité, ils ne le faisaient jamais. Dans un aimant de forte puissance du Laboratoire européen des champs magnétiques intenses, aux Pays-Bas, la bande portait cette différence dans un seul et même matériau, ce qui a permis à une équipe dirigée par l'université de Bristol de tester une idée sur la supraconductivité à haute température, dans des conditions identiques.

Les chercheurs ont fabriqué l'échantillon à partir d'oxyde de lanthane, de cérium et de cuivre, déposé sur une couche de base atome par atome. Le long de la bande, ils ont progressivement remplacé le lanthane par du cérium. Cette substitution a ajouté des électrons de conduction supplémentaires et produit un gradient régulier de températures critiques de transition, faisant passer le point d'apparition de la supraconductivité de sa valeur la plus élevée jusqu'à zéro sur un seul échantillon. La lithographie a ensuite dessiné des contacts électriques le long du film, de sorte que chaque zone présente une température critique différente tout en conservant le même désordre du matériau. De forts champs magnétiques ont supprimé l'état supraconducteur, et l'équipe a enregistré l'évolution de la résistance en fonction de la température, de l'intensité du champ et du point critique.

Les données de résistance révèlent la principale source de frottement électrique : des électrons diffusés directement par des spins d'électrons fluctuants. L'intensité de cette interaction correspondait étroitement à la température critique de transition le long de la bande, ce qui a conduit l'équipe à conclure que les fluctuations de spin provoquent la supraconductivité dans ce matériau. Dans les supraconducteurs conventionnels, les électrons s'apparient grâce à de lentes vibrations des ions dans le réseau cristallin. Les oxydes de cuivre ont besoin d'interactions beaucoup plus rapides, et les spins des électrons les fournissent. Nigel Hussey, professeur de physique à l'université de Bristol et co-premier auteur de l'étude, a qualifié ce résultat de « pièce à conviction décisive » qui résout une partie de l'équation.

L'équipe précise que le résultat ne couvre qu'une moitié du problème. Les oxydes de cuivre peuvent devenir supraconducteurs de deux façons : en ajoutant des électrons, comme les chercheurs l'ont fait avec le cérium, ou en en retirant, ce qui laisse des espaces vides appelés trous. Les températures de transition les plus élevées n'apparaissent que dans les matériaux dopés en trous. Lorsque l'équipe a comparé ses données à d'anciennes études réalisées sous champ fort sur des échantillons dopés en trous, les seules interactions de spin ne pouvaient pas expliquer leurs performances supérieures. Les chercheurs en concluent qu'un second facteur, toujours inconnu, doit agir aux côtés des fluctuations de spin de ce côté-là. Comme l'a résumé Hussey : « la tâche désormais est d'aller trouver le second. »

Pour l'instant, le changement concerne surtout les théoriciens, qui disposent d'un élément mesuré du mécanisme qu'ils devaient jusqu'ici modéliser sans lui. Les matériaux à résistance nulle servent déjà à fabriquer les puissants aimants utilisés dans les examens d'imagerie médicale, les câbles électriques performants et les appareils de mesure ultrasensibles, et l'équipe juge qu'une description complète du mécanisme est essentielle pour les technologies qui dépendent de la résistance nulle. L'étude est une mesure en laboratoire sur un seul film artificiel, et elle ne fixe aucune date pour une quelconque application. Sa valeur tient à ce qu'elle réduit la recherche de l'ingrédient qui permettrait aux ingénieurs de concevoir ces matériaux plutôt que de les découvrir.