Une nouvelle expérience étudie l’effet Meissner induit par la lumière dans un supraconducteur à commande optique

La supraconductivité est un phénomène fascinant, qui permet à un matériau de supporter un courant électrique sans perte. Ce comportement quantique collectif de la matière n’apparaît que dans certains conducteurs à des températures bien inférieures à la température ambiante.

Plusieurs études récentes ont étudié ce comportement dans des états dits hors équilibre, c’est-à-dire dans des situations où le matériau est éloigné de l’équilibre thermique. Dans ces conditions, il semble qu’au moins certaines des caractéristiques de la supraconductivité puissent être recréées même à température ambiante.

Une telle supraconductivité à haute température hors équilibre, dont l’existence a été démontrée sous irradiation par une impulsion laser, peut être utile pour des applications différentes de celles envisagées pour la version stationnaire de la supraconductivité, comme par exemple dans les dispositifs à grande vitesse contrôlés par des impulsions laser.

Ce phénomène a été appelé « supraconductivité induite par la lumière », signalant une analogie avec son homologue à l’équilibre.

Une frontière importante au cours de la dernière décennie a été de caractériser les propriétés d’un tel état supraconducteur induit par la lumière et de comprendre dans quelle mesure cette phase reproduit les propriétés connues d’un supraconducteur conventionnel.

En plus d’être capables de transporter des courants électriques sans perte, les supraconducteurs sont également connus pour expulser les champs magnétiques de leur intérieur.

Ce phénomène, connu dans les conditions d’équilibre sous le nom d’effet Meissner, est une conséquence directe de la cohérence mutuelle des porteurs de charge et de leur tendance à marcher au même rythme. Cependant, mesurer l’expulsion des champs magnétiques pour la supraconductivité induite par la lumière est difficile, car l’effet ne persiste que quelques picosecondes (un milliardième de seconde), ce qui rend impossible la mesure précise des variations du champ magnétique.

Une équipe de chercheurs de l’Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière (MPSD) à Hambourg, en Allemagne, dirigée par Andrea Cavalleri, a développé une nouvelle expérience capable de surveiller les propriétés magnétiques des supraconducteurs à des vitesses très rapides.

Ils ont travaillé sur le YBa irradié au laser₂Cu₃O_6+xun composé pour lequel la supraconductivité statique n’est observée que jusqu’à environ -200 degrés Celsius. « Nous avons découvert que YBa photo-excité₂Cu₃O_6.48en plus de présenter une résistance proche de zéro, expulse également un champ magnétique statique de son intérieur”, explique Sebastian Fava, auteur de l’article publié dans Nature.

Cette expérience a été rendue possible en plaçant un cristal spectateur à proximité immédiate de l’échantillon étudié et en l’utilisant pour mesurer l’intensité du champ magnétique local. Le cristal reflète les variations du champ magnétique en variations de l’état de polarisation d’une impulsion laser femtoseconde.

« En raison de la courte durée de l’impulsion de la sonde, nous pouvons reconstituer l’évolution temporelle du champ magnétique entourant le YBa₂Cu₃O_6.48 « Nous avons réussi à obtenir un échantillon avec une résolution inférieure à la picoseconde et une sensibilité sans précédent », explique Giovanni de Vecchi, l’un des co-auteurs.

“L’expulsion du champ magnétique photo-induit que nous avons observée est comparable en taille à celle mesurée lorsque YBa₂Cu₃O_6+x « est rendu supraconducteur à l’équilibre par refroidissement », ajoute l’auteur Michele Buzzi.

« Cela suggère que piloter le matériau pourrait même être une voie efficace pour rapprocher ses propriétés supraconductrices des conditions ambiantes », poursuit le co-auteur Gregor Jotzu, aujourd’hui professeur à l’EPFL et directeur du Laboratoire de matériaux quantiques dynamiques.

En tant que consensus sur l’origine microscopique de la supraconductivité induite par la lumière dans YBa₂Cu₃O_6.48 est toujours manquant, ces résultats constituent une référence importante pour les théories actuelles.

Dans YBa₂Cu₃O_6+xl’ordre supraconducteur ne disparaît pas complètement au-dessus de la température de transition supraconductrice d’équilibre et un certain ordre supraconducteur fluctuant local demeure, quelque peu similaire à un état désordonné.

Ces découvertes suggèrent que la photo-excitation de YBa₂Cu₃O_6+x Des impulsions lumineuses adaptées peuvent être utilisées pour synchroniser cet état fluctuant et restaurer l’ordre supraconducteur à des températures bien supérieures à celles auxquelles le matériau devient supraconducteur à l’équilibre, jusqu’à la température ambiante.