Mars 2010 - Supraconductivité : à la recherche d'une «
glu » magnétique entre les électrons
Pour la première fois, des chercheurs allemands (Max-Planck-Institut,
FRM-II) et français (Laboratoire Léon Brillouin, CEA-CNRS)
ont quantifié les excitations magnétiques d'un matériau
Fer-Arsenic à l'état supraconducteur. L'expérience
devrait permettre de tester l'hypothèse d'une « glu »
magnétique liant les électrons dans cet état particulier
de la matière.
Ces travaux viennent d'être publiés dans Nature Physics de
mars 2010.
La supraconductivité est un état particulier de
la matière qui permet à certains métaux de conduire
le courant électrique sans résistance. Pour la plupart des
matériaux, elle est observée en-dessous d'une température
« critique », variant de 1 à 20 Kelvin (entre -272
et -253 °C). Alors que les électrons, qui portent la même
charge, sont connus pour se repousser, les théories de la supraconductivité
reposent sur l'existence d'une force attractive – « la glu
» (1)- conduisant à la circulation des électrons par
paires à l'intérieur du matériau. Depuis plusieurs
décennies, les scientifiques s'interrogent sur la possibilité
d'obtenir une glu supraconductrice à partir des fluctuations magnétiques
engendrées par les électrons eux-mêmes.
Ces recherches ont connu un brusque rebondissement en 2008 avec la découverte
de supraconductivité à haute température critique
(jusqu'à 50 Kelvin, soit -223 °C) dans des composés
à base de fer dits « pnictures de fer » (2). L'observation
était surprenante car le fer magnétique (du fer associé
à d'autres éléments) est plutôt considéré
comme antagoniste de la supraconductivité.
Plus récemment, des chercheurs du Max Planck Institut et du Laboratoire
Léon Brillouin ont mesuré les fluctuations magnétiques
dans une des familles de ces composés en fonction de la température,
grâce à une technique de diffusion de neutrons (3). En portant
le composé au-dessus puis en-dessous de la température critique,
ils ont étudié ses propriétés lorsqu'il est
en phase métallique (conduction de l'électricité
classique) et en phase supraconductrice. Dans l'état supraconducteur,
l'appariement des électrons conduit à une profonde restructuration
du spectre des fluctuations magnétiques. Cette variation du spectre
ne se manifeste qu'en-dessous de l'énergie nécessaire pour
« briser » les paires d'électrons.
Ce qui distingue ces travaux de ceux réalisés par d'autres
équipes, c'est qu'ils donnent une vision très complète
et quantitative du spectre des excitations directement exploitable pour
tester la pertinence des modèles théoriques pour ces matériaux.
Pour la première fois avec ces composés, les chercheurs
ont pu quantifier de manière absolue les fluctuations magnétiques,
pour plusieurs températures. Cela va permettre aux théoriciens
de les comparer précisément avec leurs simulations et de
mieux évaluer le rôle de la « glu » magnétique
pour la supraconductivité de ces matériaux.
Notes :
(1) La glu supraconductrice : Pour de nombreux supraconducteurs,
la « glu », responsable de la formation de paires d'électrons
dites « de Cooper », se forme à partir de l'interaction
des électrons avec les vibrations des atomes du matériau.
Les électrons ont une charge électrique négative
et portent une sorte de petit moment magnétique, appelé
« spin ». Des ondes magnétiques peuvent se propager
dans les métaux sous forme de légères oscillations
de ces spins. Les électrons circulent alors dans un bain de «
fluctuations magnétiques ». A température supraconductrice,
deux électrons pourraient s'apparier du fait de leur interaction
avec ces ondes magnétiques.
(2) Pnictures : (en anglais "pnictide"). Ce terme désigne
les composés contenant des éléments de la colonne
de l'azote (quinzième) du tableau de Mendeleiev (N, P, As, Sb…).
Les pnictures de fer sont des composés FeAs, FeN, etc.
(3) diffusion inélastique de neutrons : Les chercheurs ont utilisé
la technique de « diffusion inélastique de neutrons »
en bombardant un échantillon cristallin fer-arsenic par les neutrons
des réacteurs Orphée (à Saclay) et FRM-II (Garching,
Allemagne). Le neutron est une particule non chargée qui pénètre
facilement dans les matériaux. Et, comme l'électron, le
neutron possède un spin, ce qui le rend sensible aux propriétés
magnétiques du matériau qu'il traverse. Il se comporte alors
comme une onde, dont la propagation et la fréquence vont être
modifiées par les ondes magnétiques présentes dans
le matériau traversé. La technique de diffusion inélastique
des neutrons permet de savoir ce que les spins des électrons font
dans l'espace et le temps. C'est la seule technique qui permet d'avoir
accès au «spectre des fluctuations magnétiques».
Références :
Nature Physics Vol. 6, pp. 178-181, 2010 Consulter
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