Institut des
NanoSciences de Paris
insp
Accueil > Equipes de recherche > Spectroscopie des nouveau > Thèmes de Recherche > Supraconductivité multigap (...)
insp
2.jpg

Supraconductivité multigap et non-conventionnelle

JPEG L’état supraconducteur est un rare exemple de système quantique où la fonction d’onde s’établit de façon macroscopique dans un matériau, donnant lieu à des phénomènes quantiques à grande échelle. Il se manifeste en particulier par une résistivité nulle et par un diamagnétisme parfait dans un supraconducteur massif. Le condensat quantique, constitué de paires d’électrons (les fameuses « paires de Cooper ») donne également naissance à bien d’autres propriétés quantiques très surprenantes (réseau de vortex, effet Josephson etc.).

La principale théorie existante décrivant la supraconductivité à l’échelle microscopique est la théorie de Bardeen, Cooper et Schrieffer (BCS, prix Nobel 1972). Cette théorie explique bien le comportement des supraconducteurs dits conventionnels (tel que l’aluminium par exemple), mais ne décrit pas de manière satisfaisante des supraconducteurs plus complexes, qui sont plus en plus nombreux à être découverts : les matériaux multi-bandes comme MgB2, les cupratessupraconducteurs à haute température critique, ou encore les supraconducteurs à base de fer. La théorie BCS n’explique pas non plus ce qui se passe au voisinage de l’énigmatique transition supraconducteur-isolant .

Supraconductivité dans les composés multi-bandes

La plupart des matériaux conducteurs ont une structure complexe, avec plusieurs bandes électroniques traversant le niveau de Fermi. Cette complexité se traduit parfois par une supraconductivité non triviale nécessitant d’aller au delà de la théorie BCS. En vue d’approfondir nos connaissances sur cet incroyable effet quantique, nous étudions des matériaux supraconducteurs complexes, tel que CaC6, MgB2, Ba8Si46 ou NbSe2, ce qui a donné lieu à plusieurs découvertes intéressantes. En particulier, nous avons découvert l’existence dans MgB2 d’un condensat supraconducteur qui se développe dans deux bandes différentes et qui est caractérisé par deux gaps supraconducteurs distincts, contrairement à un seul prévu dans le cadre de la théorie BCS. Tout récemment, l’équipe a observé un comportement très similaire dans d’autres composés supraconducteurs tel que Ba8Si46et même NbSe2->705, lequel a été pourtant considéré pendant longtemps comme un exemple de supraconducteur conventionnel !

Supraconducteurs à haute température critique

Découverts en 1986 par deux chercheurs allemands J. Georg Bednorz and K. Alexander Müller, ces supraconducteurs continuent de faire tourner la tête des physiciens ! Non seulement ils deviennent supraconducteurs à une relativement haute température (135Kelvin, soit plus de 3 fois supérieure à celle du meilleur supraconducteur conventionnel MgB2) mais 25 ans après leur découverte, l’origine même de la supraconductivité dans cette classe de matériaux – qui, de manière surprenante, sont de très mauvais métaux au dessus de la température critique (phase normale) – demeure largement un mystère. [1]

Plus récemment, en 2008, la découverte de nouveaux matériaux supraconducteurs à haute température critique a donné un nouvel essor à la recherche dans ce domaine. Ce sont des composés à base de fer (ce qui est surprenant compte tenu des propriétés magnétiques du fer !) qui présentent curieusement certaines analogies avec les cuprates. Comme ces derniers, les composés parents, stoechiométriques, ne sont pas supraconducteurs et ont même des propriétés magnétiques. Pour rendre le matériau supraconducteur, il est nécessaire d’introduire des porteurs de charge supplémentaires, par exemple en substituant certains atomes par d’autres. La supraconductivité à haute température critique est aujourd’hui considérée comme l’une des plus grandes énigmes de la physique moderne. Notre équipe contribue à cette recherche par l’investigation de ses propriétés au niveau microscopique. A quand la solution ?

[1] Ces 30ans de recherche ont néanmoins permis de clarifier un certain nombre de points : le diagramme de phase particulier de ces composés qui deviennent supraconducteurs par l’addition de porteurs de charge, la présence de paires de Cooper (tout comme dans les supraconducteurs conventionnels), l’existence de plans actifs en CuO2, le caractère bidimensionnel de la conduction ou encore la symétrie ‘d’, non-sphérique, du paramètre d’ordre.