Nouveaux supraconducteurs dans les matériaux quantiques à fort couplage spin-orbite

 

William Witczak-Krempa

Université de Montréal

 

Domaine : matériaux

Programme : établissement de nouveaux chercheurs universitaires

Concours 2018-2019

La supraconductivité prend du poids : les nouveaux effets des atomes lourds
 
Un supraconducteur est un matériau qui n'a aucune résistance électrique. Cela constitue un phénomène extraordinaire, car les matériaux présents dans notre quotidien, tel un fil de cuivre, offrent une résistance au passage d'un courant électrique. En d'autres mots, il y a un « bouchon de circulation microscopique » qui ralentit le mouvement des électrons. Dans un supraconducteur ce bouchon disparaît, mais cela requiert typiquement des températures extrêmement basses, qui environnent le zéro absolu (-273 degrés Celsius). Dans ce régime, les lois bizarres de la mécanique quantique permettent aux électrons de former des paires. Ces paires quantiques ne sont pas affectées par les impuretés ou les défauts dans le matériau et peuvent donc transporter un courant sans perte. Dans les années 80, les physiciens ont découvert des matériaux qui deviennent supraconducteurs à une température plus élevée, pouvant aller jusqu'à -125 degrés Celsius. Cette découverte permet leur application en pratique, car de telles températures peuvent être atteintes avec l'azote liquide. L'origine de la supraconductivité dans ces « supraconducteurs chauds » demeure peu comprise à ce jour, et les scientifiques cherchent de nouveaux matériaux avec ces propriétés. La recherche de nouveaux supraconducteurs chauds constitue l'objectif principal de ce projet. 
 
Une nouvelle avenue de recherche sur la supraconductivité vient d'un domaine qui a subi un essor rapide depuis les 10 dernières années. Ce domaine s'attarde à l'étude des matériaux qui sont composés d'atomes suffisamment lourds, tel l'iridium dont la masse est 190 fois celle de l'hydrogène. Dans cette famille de matériaux, un effet quantique relié à la relativité d'Einstein devient non négligeable et donne lieu à de nouvelles propriétés. Par exemple, un matériau qui serait normalement un isolant peut conduire l'électricité grâce à des états métalliques robustes qui se trouvent sur ses surfaces. Un matériau contenant des atomes lourds a récemment été identifié comme un supraconducteur chaud. Le présent projet aura pour but de modéliser de manière théorique d'autres matériaux dans cette famille pour identifier de nouveaux supraconducteurs non conventionnels. Un accent particulier sera mis sur un oxyde à base d'iridium qui possède une structure cristalline semblable à certains supraconducteurs à température élevée. Il est possible de modifier la composition chimique de ce matériau en ajoutant des atomes d'un autre élément qui vont se substituer à certains atomes initiaux. La fraction de ces atomes intrus va ainsi introduire davantage de porteurs de charge; on appelle cette modification « dopage ». Les observations expérimentales sur l'oxyde en question suggèrent que la supraconductivité pourra apparaître lorsqu'un dopage suffisamment grand sera atteint. Nos simulations numériques permettront de déterminer le dopage nécessaire, ainsi que les propriétés du supraconducteur résultant. Les méthodes développées pourront aussi être appliquées à d'autres matériaux.
Nos résultats fourniront une nouvelle perspective sur les matériaux supraconducteurs permettant potentiellement un déploiement accru dans les applications technologiques. Du point de vue fondamental, cette étude permettra de mieux comprendre les phases de la matière à basse température, où la mécanique quantique ne cesse de surprendre!