Des physiciens découvrent une nouvelle transition dans un supraconducteur

Ce matin-là, une équipe de recherche en physique de l’Université de Sherbrooke travaillait sur un matériau supraconducteur qui présente des propriétés intrigantes. Elle avait décidé de voir comment réagirait le matériau sous l’application d’énormes pressions. La température critique sous laquelle apparaît la supraconductivité diminuait en augmentant la pression, comme prévu, mais au-delà d’une certaine pression, la température critique s’est soudainement mise à monter. L’équipe a tout de suite su, ce jour-là, qu’elle venait de faire une découverte complètement inattendue.

Un phénomène inédit

Louis Taillefer, professeur à la Faculté des sciences, est à la tête de cette équipe. «Il s’agit d’une observation sans précédent, dit-il. On pense qu’il s’agit d’une transition entre deux types de supraconductivité, au sein d’un même matériau.»

Alors que la plupart des supraconducteurs, comme l’aluminium, le plomb ou les alliages de niobium qui servent à l’imagerie par résonance magnétique, adoptent un certain type de supraconductivité (disons type A), les oxydes supraconducteurs (qu’on appelle cuprates) sont d’un autre type (disons type B). Jusqu’ici, les recherches démontraient qu’un matériau ne présente qu’un seul type de supraconductivité : A ou B. Or, les travaux de l’équipe Taillefer sur un supraconducteur à base de fer (qu’on appelle pnictide) semblent révéler une première exception : «Nous pensons avoir découvert un matériau qui passe du type A au type B», souligne le chercheur.

Un supraconducteur est un métal qui transporte l’électricité parfaitement sans aucune résistance, ce qui offre des possibilités technologiques exceptionnelles. Une température très basse, proche du zéro absolu (-273,15 °C), s’avère toutefois nécessaire. Pour arriver à trouver des supraconducteurs qui fonctionnent à la température de la pièce, il faut comprendre le fonctionnement des électrons dans la matière.

On explore ainsi principalement deux grandes familles de supraconducteurs à l’UdeS : les cuprates et les pnictides, qui détiennent le record des plus hautes températures critiques et qui sont donc les plus prometteurs. Louis Taillefer et son équipe tentent de comprendre les similitudes et les différences entre ces deux familles afin de pousser la température critique encore plus haut.

Force remplie de promesses

Au niveau microscopique, la supraconductivité est la formation de paires d’électrons. Pour que les électrons forment une paire, une force doit les lier. Quelle est la nature de la force qui crée la supraconductivité dans les cuprates et les pnictides? Voilà la grande question. En arrivant à bien comprendre cette force, il deviendra possible d’améliorer la performance de ces matériaux.

Pour y arriver, Louis Taillefer se joint à Andrew Millis, théoricien de l’Université Columbia qui travaille sur la théorie de ces matériaux. Leur collaboration se fait par l’entremise de l’Institut canadien de recherches avancées, dont ils sont tous deux membres depuis longtemps.

«Les travaux théoriques de Millis montrent bien que dans les pnictides il y a compétition entre les phases A et B», explique le chercheur du Département de physique. Le groupe de Taillefer en aurait fait la plus éclatante démonstration, ce qui lui a valu un article dans la revue Nature Physics en juin.

«Avant de publier, j’ai demandé à mon équipe de vérifier toute l’expérimentation de fond en comble», souligne le professeur. C’est ainsi que Fazel Fallah Tafti, stagiaire postdoctoral, Alexandre Juneau-Fecteau, étudiant à la maîtrise, et Marie-Ève Delage, stagiaire coopérative, ont repris toutes les mesures expérimentales dans les moindres détails, sur plusieurs échantillons, dans toutes sortes de conditions différentes.

Au bout de six mois, les résultats inhabituels se confirmaient. Et c’est à ce moment qu’une équipe américaine a affiché sur Internet une étude identique! «Mais par miracle, elle s'est arrêtée juste en-dessous de la pression nécessaire pour détecter la transition. Ouf!» s’exclame le chercheur sherbrookois.