Louis Taillefer découvre un point cardinal de l'état supraconducteur

Le professeur Louis Taillefer est passionné par la supraconductivité et plus particulièrement par les cuprates qu’il étudie depuis près de 25 ans. Physicien reconnu internationalement, il contribue par ses recherches à mieux comprendre ces matériaux qui demeurent les meilleurs supraconducteurs connus à ce jour.

L'intérêt des cuprates naît du fait que certains de leurs électrons se mettent par paires et conduisent parfaitement l'électricité tout en repoussant les champs magnétiques lorsqu'ils sont suffisamment refroidis.

« La grande force du Pr Taillefer, c’est de mettre fin à des débats », explique Alexis Reymbaut, Ph.D.*. Or, c’est exactement ce que le chercheur et une équipe de collaborateurs internationaux ont fait en dévoilant un principe organisateur pour les électrons dans les cuprates, clé de la supraconductivité à température élevée.

Cette équipe a cerné une transition au cœur de la matière, un point critique, qui pourrait expliquer pourquoi les cuprates recèlent une puissance supraconductrice si impressionnante.  « Il est très probable que ce point critique explique pourquoi la supraconductivité se manifeste, et pourquoi elle le fait avec une telle force », indique Louis Taillefer. Les nouveaux résultats sont publiés dans la revue Nature.

Venant clore un débat vieux de plus de vingt ans dans le domaine, ils ont découvert qu’une mystérieuse transition de phase quantique, séparant une phase conductrice d'une phase isolante appelée « pseudogap », entraîne une forte diminution du nombre d’électrons conducteurs disponibles pour l’appariement d'électrons nécessaire à la supraconductivité. L’équipe avance l’hypothèse que l'existence de ce point critique explique probablement pourquoi les cuprates présentent de la supraconductivité à des températures bien plus élevées que d’autres matériaux – dépassant parfois la moitié de la température ambiante.

« Voilà le débat qui fait rage depuis vingt ans – que se passe-t-il dans la phase pseudogap? », ajoute Taillefer.

Le mystère est demeuré entier pendant tout ce temps principalement parce qu'il devient difficile d'étudier les comportements sous-jacents de la supraconductivité lorsque cette dernière se manifeste. Grâce à un champ magnétique équivalent à plus d'un million de fois celui de la Terre, l’équipe de scientifiques a réussi à supprimer la supraconductivité dans des échantillons de cuprates et à examiner avec soin la phase pseudogap à des températures près du zéro absolu (- 273 °C).

Lorsque le cuprate entre dans la phase pseudogap, sa structure électronique subit un changement radical. Le nombre d’électrons disponibles diminue brusquement ; il n’en demeure qu’un sixième. Cela marque une transition de phase quantique – un changement fondamental de comportement dans le matériau.

Ces recherches ont été réalisées dans le cadre du programme Matériaux quantiques de l’Institut canadien de recherches avancées (ICRA). L’étude a su allier l’expertise du professeur Doug Bonn, du professeur émérite Walter Hardy et du spécialiste des matériaux Ruixing Liang de l’Université de la Colombie-Britannique en matière de fabrication des cuprates ; du professeur Louis Taillefer et du reste de son équipe en matière d’analyse et de l'équipe dirigée par Cyril Proust, chercheur CNRS, du Laboratoire national des champs magnétiques intenses (LNCMI), dans la production de puissants champs magnétiques.

Selon les chercheurs, ces nouveaux travaux vont considérablement modifier l’orientation des recherches futures et mèneront à une nouvelle compréhension des propriétés des supraconducteurs.

 *M. Reymbaut, docteur en physique théorique a agi à titre de consultant scientifique pour le contenu de ce reportage.