Un nouveau modèle pour les cuprates supraconducteurs à haute température

par Poulos

Hello !

Cela faisait bien longtemps que je n'avais pas posté sur le blog ! Je crois que Matlink non plus d'ailleurs.

Ah la thèse, ça prend du temps. C'est une belle aventure mais il faut savoir se mettre entre parenthèse. Mais enfin (ENFIN!!) quand on pense avoir mis le doigt sur quelquechose, ça me parait être une bonne chose d'en parler et un peu voir le ressenti de chacun.

J'en suis à la moitié. Assez épuisé, je commence enfin à observer une partie de la vérité qui se dévoile à mon regard. Pendant des mois, j'ai navigué dans le flou le plus total n'ayant que moi-même comme interlocuteur et mes équations. A Caen, on ne manque pas de physiciens nucléaires, de chimistes ou encore de spécialistes de l'optique ondulatoire. En revanche, des théoriciens du mouvement collectif des électrons dans les matériaux, il y en a peu . Il y a mon directeur de thèse et mon co-directeur de thèse. Heureusement ,j'ai eu la chance de pouvoir enseigner un peu et les étudiants de première année sont ces nouvelles têtes pensantes en formation, qui sont toujours là pour poser les questions auxquelles on n'aurait jamais pensé et sûrement pas su se poser. C'est souvent ce qui se passe lorsqu'on s'impose des œillères en se cantonnant à la littérature spécifique à son domaine de recherche. Ce sont systématiquement les mêmes éléments de langage qui reviennent. Ce sont ces mêmes chercheurs qui ont réussi à se faire une place au soleil malgré la concurrence horriblement difficile dans le domaine... Soit on décide de leur vouer un culte et de croire dur comme fer à leurs hypothèses ou à leurs théories dans l'explication de l'émergence de tel ou tel phénomène et, au mieux, on peut espérer retrouver ce que eux-même ont trouvé. Peut être que l'on aura retrouvé leurs résultats d'une manière moins alambiquée, plus esthétique, plus poétique et ainsi la recherche consisterait à consolider ce qui a déjà été fait en pensant que de toute façon on ne trouvera rien de plus... Soit on décide de faire le pari que l'on peut trouver quelque chose de nouveau et que l'on peut être créatif malgré le peu d'expériences et le peu de connaissances que l'on a. C'est un choix. Le choix de tenter de fragiliser ce qui a été fait. Pointer du doigt la faille qui existe inévitablement dans toute explication théorique en physique. Tenter de mettre en évidence les défauts et ainsi tenter d’affiner notre approche de la vérité. Rien dans ce qui existe en physique atteint la vérité. Même les plus grandes théories comme la relativité générale ou la théorie quantique qui ont forgé les plus grandes révolutions intellectuelles et technologiques de notre temps trouvent leur puissance dans le fait qu’on ne parvient pas à les mettre en défaut. Elles sont pourtant attaquées de toute part. On envoie des satellites pour quelques centaines de millions d’euros afin de mesurer des variations infimes de certaines grandeurs à quinze zeros après la virgule afin de tester les postulats de la relativité générale. On développe des moyens de contrôler par laser un par un les atomes en laboratoire tentant frénétiquement de percer le mystère de la dualité onde-particule. Oui, pourquoi la mécanique quantique fonctionne-t-elle si bien à l’échelle de l’atome et est complètement délirante à notre échelle ? On sait par essence, qu’il existe des failles (probablement beaucoup) dans ces théories de l’infiniment grand et de l’infiniment petit, précisément car elles sont dissociées, antagonistes l’une de l’autre alors que le monde, lui, est un continuum. La nature observable est une unité harmonieuse qui n’est pas scindée en deux mondes distincts. Il y a inévitablement une transition entre la théorie quantique et la relativité générale que l’on ne comprend pas. Voilà l’un des défis les plus ambitieux en physique théorique de notre temps mais on sait dors et déjà que ni l’une ni l’autre n’est vraie. Certes, elles décrivent remarquablement la nature dans leur cadre respectif mais ces grandes théories sont fondamentalement incomplètes au mieux et au pire fausses. Personne ne peut prétendre à la vérité sur la nature de la Nature. Comme le dit Jean-Claude Ameisen : le savoir accumulé n’est qu’une goutte d’eau face à ce qu’on a encore à découvrir . Je regarde cela avec un émerveillement grisant où s’effeuille une morale qui me pousse dans mon travail scientifique à m’attaquer « à coup de marteau » à ce qu’on croit avoir établi. Tenter de partir en roue libre, certaines personnes me diront que cela me dessert. Ils ont probablement raisons. Mais j’ai eu la chance d’avoir un enseignant à la fac qui nous a poussé à tenter de sortir des sentiers battus. Après tout, à défaut de se perdre, on gagne au moins le fait qu’on ne sait pas où cela va nous mener. C’est ça qui est exaltant dans ma conception de la recherche même s’il y a un prix à payer.

Jeudi matin je présenterai de façon vulgarisée à des doctorants en sciences mon premier travail de recherche « en roue libre » sur une thématique qui a une belle histoire Caennaise et pour laquelle il n’y a encore quasiment aucun consensus sur les mécanismes microscopiques à l’œuvre : les supraconducteurs à haute température. Voici mon résumé.

Ma thèse porte sur l’étude théorique du phénomène de supraconductivité dont les enjeux pour les applications dans la vie quotidienne sont cruciaux. En effet, en dessous d’une certaine température, les électrons de conduction de certains métaux ont tendance à se coupler par paires et le mouvement collectif de ces paires dites « de Cooper » permet aux électrons de s'éviter et d’éviter les collisions avec les impuretés du matériau à l’origine de son échauffement. Le courant qui s’établit n’est alors plus freiné et la résistance du matériau s’annule. On comprend, dès lors, l’intérêt immense que présente ce phénomène d’un point de vue applicatif puisque le courant électrique peut être stocké indéfiniment sans perte par effet joule dans des bobines.

L’exemple le plus frappant est celui des IRM où la bobine supraconductrice est chargée une fois pour toute en usine. La circulation du courant très intense génère alors un puissant champ magnétique permettant de construire des images très précises du corps humain. Cependant, il faut constamment refroidir la bobine par un flux d’Hélium liquide qui a tout de même un coût conséquent. La nécessité de refroidir les supraconducteurs conventionnels à de très faibles températures est un verrou technologique majeur puisque ce phénomène si spectaculaire ne peut donc pas être exploité à température ambiante. Cependant, en 1986, Bednorz et Müller, deux chercheurs d’IBM à Zurich s’intéressent aux travaux d’une équipe de Caen qui avait réussi la synthèse chimique de nouveaux composés à base d’oxydes de cuivre appelés « cuprates ». Ils découvrent à la surprise générale de la communauté scientifique, une suppression de la résistance en dessous d’une température exceptionnellement élevée (40K) par rapport à ce qu’on connaissait (maximum 23K). Il s’en est suivi une véritable course vers la découverte de nouveaux supraconducteurs aux températures de transition de plus en plus élevées sans atteindre malheureusement la température ambiante. Le mécanisme d’appariement des électrons dans les cuprates a été très longtemps débattu et demeure méconnu à ce jour. En cause, contrairement aux supraconducteurs conventionnels, ces nouveaux supraconducteurs sont d’excellents isolants ayant des propriétés magnétiques. Il s’agit d’un terrain très défavorable au développement de la supraconductivité. Afin de tenter de comprendre le mécanisme microscopique d’appariement à l’œuvre, il faut modéliser et décrire théoriquement une manière dont les électrons se comportent dans le réseau formé d’atomes de cuivre et d’oxygène. Longtemps, on a pensé que le modèle minimal proposé par P.W. Anderson en 1987 selon lequel les électrons sautent sur les atomes de cuivre les plus proches voisins et où leur répulsion est localement forte permettait de comprendre la physique des cuprates. Récemment ce paradigme a été complètement remis en question. Les résultats théoriques de ce modèle montrent en effet, très peu de supraconductivité lorsque l'on abaisse la température contrairement aux observations expérimentales. En conséquence, il est nécessaire de proposer un nouveau modèle beaucoup plus réaliste qui prend en compte la structure complexe de l’agencement des atomes dans les cuprates. Ce modèle prend aussi en considération les résultats expérimentaux récents qui étaient méconnus dans les années 90.

C’est le but de mon travail de thèse. J’ai sculpté un modèle théorique qui décrit beaucoup plus précisément les chemins que peuvent emprunter les électrons selon les lois de la physique quantique. J’ai montré microscopiquement que les électrons semblent sauter non pas uniquement aux premiers sites voisins mais directement jusqu’aux quatrièmes et cinquièmes atomes de cuivres voisins. Mes premiers résultats montrent que ces nouvelles opportunités de chemins suivis favorisent l’appariement des électrons et détruisent beaucoup mieux le magnétisme ambiant. Ce qui va dans le sens de ce qui est établi expérimentalement. J’apporte donc ma pierre à l’édifice de la compréhension de cette mystérieuse supraconductivité à haute température.