Le magnétisme donne une structure à un état électronique longtemps mystérieux

Un ordre inattendu dans le chaos

C’est l’un des casse-têtes les plus tenaces de la science des matériaux modernes. Imaginez une zone frontière, un « entre-deux » étrange où les électrons commencent à se comporter bizarrement, mais sans encore basculer dans la supraconductivité totale. Jusqu’ici, on pensait que cette transition était synonyme de désordre. Eh bien, détrompez-vous.

Des physiciens viennent de découvrir une structure surprenante au cœur de cet état mystérieux. Au lieu de sombrer dans l’anarchie au moment où le comportement électrique normal s’effondre, le système maintient des schémas coordonnés. Cette découverte suggère que cette transition n’est pas le fruit du hasard, mais qu’elle est guidée par une structure sous-jacente.

C’est en utilisant un simulateur construit en laboratoire — conçu pour imiter la façon dont les électrons interagissent quand la résistance électrique s’estompe — que des chercheurs de l’Institut Max Planck d’optique quantique (MPQ) ont repéré cette coordination cachée. Elle survit précisément dans cette étroite zone intermédiaire.

Pourquoi est-ce important ? Parce que comprendre où cet ordre tient bon, et où il finit par céder, pourrait enfin nous expliquer ce que cet état insaisissable permet de faire, et surtout pourquoi il bloque encore la route vers un courant sans aucune résistance.

Le mystère du « pseudogap » et le piège de lumière

Les scientifiques appellent cette zone intermédiaire le « pseudogap ». C’est un état où certains des chemins habituels empruntés par l’électricité disparaissent discrètement. Avec moins de routes disponibles, les électrons ne circulent plus aussi librement, et le matériau cesse de se comporter comme un métal classique.

Ce phénomène est bien connu dans certains matériaux à base de cuivre, les cuprates, avant même qu’ils ne commencent à transporter du courant sans résistance. Mais sans une vision claire de ce qui se trame dans cet état transitoire, essayer d’améliorer les supraconducteurs relevait jusqu’ici de la devinette éclairée.

Pour aller au fond des choses, les chercheurs ont dû ruser. Ils se sont tournés vers le modèle de Fermi-Hubbard, une représentation simplifiée d’électrons sautant sur une grille tout en se repoussant les uns les autres.

Concrètement, comment ont-ils fait ? Ils ont recréé ce modèle en utilisant des lasers pour former un « treillis de lumière » capable de piéger des atomes de lithium. En refroidissant le tout à une température proche du zéro absolu, l’agitation thermique aléatoire s’est dissipée, laissant place aux seules interactions entre atomes.

Grâce à un microscope à gaz quantique — un outil assez puissant pour voir des atomes individuels — ils ont capturé plus de 35 000 clichés instantanés. Ces images révélaient non seulement la position des atomes, mais aussi l’orientation de leurs « spins » (leur moment magnétique). Ce niveau de détail, impossible à obtenir avec des matériaux solides, leur a permis de voir les motifs magnétiques naître ou mourir en ajustant la température et la densité.

Quand le magnétisme dicte sa loi

Lorsque les électrons remplissent une grille uniformément, leurs minuscules directions magnétiques ont tendance à s’aligner selon un motif alterné simple qui stabilise le système. Cet arrangement est crucial, car il définit ce qui est perturbé quand on commence à retirer des électrons.

Le simulateur a révélé une chose fascinante : même après avoir retiré des électrons, la coordination magnétique ne disparaît pas immédiatement aux températures les plus basses. Ce magnétisme persistant limite drastiquement les explications théoriques possibles, car il peut influencer la décision des électrons de s’apparier ou de rester isolés.

En comparant des milliers d’expériences, un motif clair a émergé. Le magnétisme à travers le système suit une échelle de température unique, directement liée au nombre d’électrons retirés du treillis. « Les corrélations magnétiques suivent un modèle universel unique lorsqu’elles sont rapportées à une échelle de température spécifique », explique Thomas Chalopin, l’auteur principal de l’étude au MPQ.

Cette échelle marque aussi l’apparition du pseudogap. La perte d’états électroniques et la montée de l’organisation magnétique débutent exactement au même moment. Cette superposition suggère que le magnétisme pourrait bien façonner le pseudogap, plutôt que d’émerger d’un désordre aléatoire.

Les clichés ultra-détaillés ont donné un indice sur le « pourquoi ». Au lieu d’agir uniquement par paires, les particules montraient un comportement coordonné sur des groupes plus larges. En traquant les corrélations entre jusqu’à cinq particules à la fois, l’équipe a découvert des structures que des mesures plus simples auraient manquées. Même un seul « dopant » — un électron manquant se déplaçant dans la grille — perturbait les motifs de spin environnants sur une vaste zone. Cela remet en cause les théories basées sur des interactions simplifiées : dans le pseudogap, les électrons ne sont pas indépendants.

Vers une nouvelle ère pour la supraconductivité ?

Pour valider ces observations, le groupe de Chalopin a confronté ses mesures à plusieurs simulations indépendantes. L’accord entre les méthodes a renforcé l’idée que cette échelle observée est bien réelle, tout en montrant où la théorie peine encore (notamment à des niveaux de dopage élevés). C’est ce genre d’aller-retour qui permet d’accélérer le développement des algorithmes.

Dans les vrais supraconducteurs à base d’oxyde de cuivre, le pseudogap cohabite avec des ordres concurrents, et le magnétisme a toujours été un suspect principal. Des changements rapides et coordonnés dans les directions magnétiques peuvent gêner le mouvement des électrons, limitant les voies qui transportent normalement le courant.

Bien que les résultats du simulateur ne prouvent pas que ce mécanisme régit tous les cuprates, ils resserrent le lien entre magnétisme et pseudogap. « En révélant l’ordre magnétique caché dans le pseudogap, nous découvrons l’un des mécanismes qui pourrait être ultimement lié à la supraconductivité », souligne Chalopin.

La prochaine étape pour l’équipe du MPQ ? Pousser le simulateur vers des températures encore plus basses. À ces extrêmes, le système pourrait se figer dans des motifs répétitifs qui bloquent le flux d’électrons. Ces futurs tests nous diront si cet ordre caché finit par aider ou par entraver la supraconductivité lorsque le système refroidit davantage. Cette étude a été publiée dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences.

Selon la source : earth.com

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