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Mesurer la vitesse du son pour comprendre l’origine de la supraconductivité

27 mars 2013

LNCMI - UPR 3228 , transition de phase , supraconductivité , champ magnétique

En étudiant les légères modifications de la vitesse du son dans un supraconducteur à haute température soumis à un champ magnétique intense, des physiciens toulousains, grenoblois et canadiens ont mis en évidence une transition de phase où la densité de charge électrique est modulée. Cette transition, habituellement masquée par la supraconductivité, pourrait jouer un rôle dans le mécanisme de supraconductivité à haute température.

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Depuis sa découverte, il y a plus de 25 ans, la supraconductivité à haute température des cuprates reste une énigme pour les physiciens. Dans les supraconducteurs classiques, à quelques degrés au-dessus du zéro absolu, l’appariement en « paires de Cooper » des électrons est dû à leur interaction par l’intermédiaire des vibrations du réseau cristallin. Ce mécanisme ne semble toutefois pas adapté pour décrire la supraconductivité dans les cuprates et rendre compte de températures critiques aussi élevées que 164 K (soit -113°C), et de l’existence d’autres transitions dans ce matériau. Récemment, un autre mécanisme possible a attiré l’attention des physiciens : l’apparition de modulations périodiques de la densité de charges dans ces matériaux en dessous d’une température critique. Pour la première fois, des physiciens du Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses - LNCMI (CNRS / INSA Toulouse / Univ. Toulouse 3 / Univ. Grenoble 1) de Toulouse et de Grenoble, et de l’Université de Vancouver, ont observé une signature thermodynamique de l’apparition de cet ordre de charge et l’ont caractérisé. Ces résultats font l’objet d’un article dans la revue Nature Physics en février 2013.

Les physiciens ont réalisé ces expériences en soumettant un échantillon de YBa2Cu3O6.5 à un champ magnétique allant jusqu’à 60 Tesla. Ce dernier affaiblit la supraconductivité de manière significative et révèle les propriétés du matériau masquées par la supraconductivité. Les chercheurs ont alors mesuré la vitesse du son dans ce solide à basse température. En caractérisant les variations de l’élasticité du matériau avec une résolution de l’ordre d’une partie par million, les chercheurs ont un moyen très sensible de détecter la présence d’une transition de phase. Ils ont ainsi construit un diagramme de phase thermodynamique faisant apparaître l’existence d’un ordre de charge statique pour des températures inférieures à la température critique de la supraconductivité. Les fluctuations associées à cette transition restent observables à des températures bien plus élevées et pourraient donc jouer un rôle dans l’apparition de la supraconductivité à haute température. Toute la question est maintenant de savoir si cette nouvelle phase est nuisible à la supraconductivité ou au contraire si c’est un ingrédient essentiel pour favoriser son apparition.

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Diagramme de phase champ magnétique-température obtenu à partir de mesures thermodynamiques de la vitesse du son dans le supraconducteur à haute température critique YBa2Cu3O6.5 (Tc=61 K). Lorsque la phase supraconductrice est déstabilisée par un champ magnétique, un nouvel état caractérisé par une onde de densité de charge (en rouge) émerge.
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Photo prise sous microscope d’un échantillon de YBa2Cu3O6.5 sur lequel est collé un transducteur piézoélectrique.
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Salle des condensateurs du LNCMI à Toulouse permettant de générer un champ magnétique pulsé jusqu’à 80 T

En savoir plus

Thermodynamic phase diagram of static charge order in underdoped YBa2Cu3Oy, D. LeBoeuf1, S. Krämer1, W. N. Hardy2,3, R. Liang2,3, D. A. Bonn2,3 et C. Proust1,3, Nature Physics 9, 79–83 (2013)

Retrouvez l’article de la publication sur la base d’archives ouvertes arXiv (PDF)

Contact chercheur

David LeBoeuf, post-doctorant
Cyril Proust, directeur de recherche CNRS

Informations complémentaires

1 Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses (LNCMI)

2 Department of Physics and Astronomy, University of British Columbia, Vancouver

3 Canadian Institute for Advanced Research, Toronto

Contacts INP

Jean-Michel Courty,
Catherine Dematteis,
Simon Jumel,
inp-communication cnrs-dir.fr