Une énigme résolue dans les cuprates supraconducteurs

Une équipe de recherche internationale menée par l’Université de Genève résout une énigme vieille de plusieurs décennies concernant l'incompatibilité entre les propriétés optiques et la résistivité électrique dans les “cuprates”, des matériaux qui sont supraconducteurs à haute température. Leur recherche fournit également le cadre théorique et la base expérimentale qui permettent d'exploiter un état particulier de “criticité quantique”, dans l'espoir d’améliorer la performance des matériaux supraconducteurs.

Lorsqu’un matériau est refroidi au voisinage du zéro absolu (−273,15 °C), les électrons de conduction se comportent de moins en moins individuellement et de plus en plus collectivement. Ce comportement collectif est révélé par les propriétés macroscopiques du matériau. Par exemple, différentes mises en ordre de la charge et du spin des électrons de conduction peuvent se produire, ou alors le matériau peut devenir magnétique ou supraconducteur. En variant la densité des électrons de conduction, il est possible de contrôler quelle phase macroscopique l'emporte. Il peut arriver, pour une densité électronique particulière, que les électrons soient indécis entre deux phases macroscopiques, par exemple magnétique et non-magnétique. Une telle situation hybride, dominée par des fluctuations quantiques, constitue un état de “criticité quantique” .

Les propriétés physiques d’un tel état minutieusement ajusté ne dépendent que du rapport ℏw/k_BT, où w est la fréquence utilisée pour sonder la réponse du matériau et T est la température à laquelle cette réponse est mesurée. La dynamique des électrons devient alors fondamentalement quantique et ce genre d'état de la matière est appelé Planckien.

Dans cette étude, les chercheurs ont mis en évidence que cet équilibre délicat est atteint dans le matériau supraconducteur La_2-xSr_xCuO₄ lorsque la densité électronique est ajustée au point terminal d’une phase caractérisée par un pseudo-gap. Ils observent alors un comportement de criticité quantique dans les propriétés optiques, la résistivité électrique et la chaleur spécifique. Cerise sur le gâteau, ils démontrent aussi que ces propriétés physiques sont toutes liées entre elles par une unique théorie décrivant un matériau qui se trouve dans un état de criticité quantique.