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Que se passe-t-il vraiment dans les matériaux supraconducteurs?

Que se passe-t-il vraiment dans les matériaux supraconducteurs?

La supraconductivité à haute température pourrait être un pas de plus grâce aux travaux d'une équipe internationale de physiciens. En étudiant les corrélations spatiales des atomes de potassium à des températures juste au-dessus du zéro absolu, les observations de l'équipe pourraient aider à identifier les conditions idéales requises pour induire la supraconductivité.

[Source de l'image:MIT - Sampson Wilcox]

Supraconductivité: le moyen presque parfaitement efficace de conduire l'électricité dans un matériau via l'élimination des pertes d'énergie. À l'heure actuelle, cette propriété incroyable de certains matériaux n'est possible qu'à des températures spécifiques extrêmement basses. Si la supraconductivité pouvait être induite à température ambiante, l'impact sur les rendements possibles de l'énergie électrique serait extraordinaire. Mais comprendre comment se produit la supraconductivité est entravé par notre capacité à visualiser le phénomène.

Dans cet esprit, les chercheurs du MIT ont conçu un «simulateur quantique», utilisant des atomes pour modéliser le comportement des électrons dans un solide supraconducteur.

Le chef d'équipe, le professeur Martin Zwierlein, MIT, a rapporté au MIT News: `` En apprenant de ce modèle atomique, nous pouvons comprendre ce qui se passe réellement dans ces supraconducteurs et ce qu'il faut faire pour fabriquer des supraconducteurs à plus haute température, approchant, nous l'espérons, la température ambiante. ''

Le modèle atomique de l'équipe est basé sur le modèle de Fermi-Hubbard d'atomes en interaction, une théorie couramment utilisée pour expliquer les principes fondamentaux de la supraconductivité. Auparavant, les chercheurs n'étaient en mesure de prédire que le comportement d'électrons supraconducteurs à faible interaction en utilisant ce modèle. Le professeur Zwierlein a expliqué:

«C’est une des principales raisons pour lesquelles nous ne comprenons pas les supraconducteurs à haute température, où les électrons interagissent très fortement. Il n’existe aucun ordinateur classique au monde capable de calculer ce qui se passera à très basse température pour les [électrons] en interaction. Leurs corrélations spatiales n'ont également jamais été observées in situ, car personne ne dispose d'un microscope pour regarder chaque électron ».

En refroidissant les atomes de potassium étudiés à quelques nanokelvins et en les piégeant dans un réseau généré par laser créant un plan bidimensionnel, les chercheurs ont pu observer les positions et les interactions des atomes individuels. Le comportement des atomes observés variait en fonction de la densité du gaz à chaque position.

Dans les régions de densité inférieure - vers le bord du réseau - les atomes sont devenus «antisociaux». Ceci est cohérent avec le comportement des électrons théorisé par le célèbre physicien du XXe siècle Wolfgang Pauli, dont les soi-disant «trous de Pauli» décrivent la tendance des électrons à maintenir une certaine sphère d'espace personnel. "Ils se taillent un petit espace pour eux-mêmes où il est très peu probable de trouver un deuxième gars à l'intérieur de cet espace", a déclaré Zwierlein.

Le comportement vraiment intéressant s'est produit dans les régions de densité plus élevée. Les atomes observés se sont non seulement permis d'être regroupés, mais ils ont également montré des orientations magnétiques alternées. Zwierlein a expliqué: "Ce sont de belles corrélations antiferromagnétiques, avec un motif en damier - haut, bas, haut, bas."

Il a poursuivi en décrivant la tendance inhabituelle de ces atomes à «sauter les uns sur les autres», résultant en un espace à côté d'une paire d'atomes groupés. La similitude entre ce comportement et celui requis pour une supraconductivité à haute température - encore théorique - est forte. En théorie, la supraconductivité peut être induite à température ambiante via le mouvement sans frottement de paires d'électrons entre des espaces convenablement grands dans un réseau. Zwierlein l'a décrit comme suit:

«Pour nous, ces effets se produisent à nanokelvin parce que nous travaillons avec des gaz atomiques dilués. Si vous avez un morceau de matière dense, ces mêmes effets peuvent bien se produire à température ambiante.

Lisez les conclusions de l'équipe dans leurScience papier journal.

VOIR AUSSI: Il peut y avoir des failles dans la théorie des supraconducteurs

Via: MIT

Écrit par Jody Binns

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