Les supraconducteurs à haute température, une classe révolutionnaire de matériaux découverts il y a plus de quatre décennies, recèlent un immense potentiel de progrès technologique. Ces matériaux présentent une résistance électrique nulle, permettant à l’électricité de circuler librement sans aucune perte d’énergie, même à des températures nettement supérieures à celles requises par les supraconducteurs conventionnels. Bien que cette propriété remarquable ait déjà trouvé des applications dans divers domaines, le mécanisme sous-jacent à la supraconductivité à haute température reste un mystère.
Au cœur de ce phénomène se trouvent les interactions entre les porteurs de charge – les particules chargées de transporter le courant électrique – qui leur permettent de se déplacer sans effort à travers la structure atomique du matériau. Une étude récente menée par une équipe de recherche internationale de BESSY II, publiée dans Nature Communications, met en lumière ces interactions cruciales au sein d’un type spécifique de supraconducteur à haute température appelé composés cuprates.
Les chercheurs se sont concentrés sur La₂CuO₄, un composé constitué de couches alternées d’oxyde de cuivre (CuO) et d’oxyde de lanthane (LaO). Lorsque La₂CuO₄ est traité avec des atomes supplémentaires (dopé), il présente une supraconductivité inférieure à 40 Kelvin, ce comportement supraconducteur étant confiné aux couches de CuO. Notamment, les couches de LaO restent isolantes même dans ces conditions.
L’équipe a utilisé une technique sophistiquée appelée spectroscopie de coïncidence photoélectronique Auger couplée à des impulsions de rayons X spécialisées à BESSY II. Cela leur a permis de mesurer avec précision l’énergie des paires de porteurs de charge, en particulier des trous d’oxygène, qui manquent essentiellement d’électrons autour des atomes d’oxygène, au sein de chaque couche.
Qu’ont-ils découvert ? Les énergies d’interaction entre ces porteurs de charge étaient significativement plus faibles dans les couches de CuO (où se produit la supraconductivité) que dans les couches isolantes de LaO. Cette découverte suggère que les interactions plus faibles au sein des couches d’oxyde de cuivre pourraient être un facteur clé permettant la formation de paires de Cooper – des paires d’électrons liées responsables du comportement supraconducteur.
Cette recherche fournit des informations cruciales sur l’interaction complexe entre les porteurs de charge et leurs interactions dans les composés cuprates. Bien que beaucoup de choses restent inconnues sur la supraconductivité à haute température, cette étude met en évidence une différence intrigante dans les énergies d’interaction qui pourrait contribuer de manière significative à libérer tout son potentiel. De futures recherches explorant ces différences plus en détail pourraient ouvrir la voie à la conception de matériaux supraconducteurs encore meilleurs, avec des applications potentiellement transformatrices dans diverses industries.
