Dans cet article, je vous propose de découvrir un peu mon domaine de recherche à l'Université de Sherbrooke!

C’est en 1972 que l’américain Philip Warren Anderson, prix Nobel de physique en 1977, publie un article intitulé More is different , soit Plus est différent. Il y explique entre autres que le fait de considérer de nombreux électrons en interaction peut mener à l’émergence de nouveaux comportements pour ces derniers, de la même manière qu’un poisson se comporte différemment selon qu’il soit seul ou au sein d’un banc.

Laissez-vous entraîner dans un voyage qui vous guidera au cœur de la matière et qui vous permettra de comprendre comment les interactions entre électrons peuvent donner naissance à une physique complètement inédite qui semble détenir les clés d’un des plus grands mystères de la physique moderne : la supraconductivité à haute température critique!

Un peu de mécanique quantique...

Notre périple commence par cette simple question : comment peut-on se rendre au cœur de la matière? Il faut attendre le début du 20ème siècle pour pouvoir s’aventurer à l’échelle de l’atome, ce bloc élémentaire constituant toute chose, grâce au développement du fabuleux moyen de transport qu’est la mécanique quantique. Derrière cette appellation un peu obscure se cache en fait la théorie qui nous permet de comprendre le monde atomique, de saisir par exemple ce qui rend le graphite, dont les mines de crayon sont faites, si différent du diamant, alors qu’ils sont tous deux composés des mêmes atomes de carbone.

Un des premiers succès de la mécanique quantique est d’avoir su expliquer pourquoi certains matériaux, comme le cuivre, conduisent bien l’électricité tandis que d’autres matériaux, comme le plastique, sont isolants. Ce n’est effectivement qu’en 1928 que le suisse Felix Bloch présente la théorie expliquant cela : la théorie des bandes . Cette théorie donnera naissance une vingtaine d’année plus tard au transistor, composant électronique essentiel aux ordinateurs, télévisions, téléphones cellulaires et autres inventions ayant radicalement changé la face du monde au cours du siècle dernier! Par ailleurs, elle nous apprend que les électrons peuvent facilement gagner de l’énergie dans un matériau conducteur et qu’ils se meuvent alors aisément lorsqu’ils sont soumis à une tension électrique, créant ainsi un courant. Ce n’est cependant pas le cas dans un matériau isolant : les électrons y gagnent très difficilement de l’énergie et ne peuvent donc pas former de courant électrique. L’énigme du caractère conducteur ou isolant des solides semble alors résolue, elle ne l’est en fait que partiellement.

Un isolant pas comme les autres

L’année 1937, marquée par l’étude de l’oxyde de nickel des anglais Sir Nevill Francis Mott , prix Nobel en 1977, et Sir Rudolf Ernst Peierls , voit naître une physique totalement nouvelle. Ce solide, simplement fait de nickel et d’oxygène, ne semble a priori pas si particulier et la surprise est donc d’autant plus grande lorsque Mott et Peierls se rendent compte qu’il est isolant alors que la théorie des bandes prédit qu’il doit être conducteur! Cependant, le succès retentissant de cette théorie dans les matériaux étudiés jusque là les oblige à considérer que l’oxyde de nickel puisse avoir quelque chose de singulier. Ils finissent par réaliser que la solution à ce problème vient de l’effet des fortes interactions entre électrons.

En effet, tous les électrons portent une charge négative et se repoussent ainsi entre eux, de la même façon que deux aimants de pôles identiques se repoussent violemment. Si cette interaction répulsive est vraiment forte, ce qui se produit entre autres dans l’oxyde de nickel, il est alors possible que les électrons se gênent les uns les autres dans le matériau, les empêchant ainsi de se déplacer facilement pour conduire l’électricité. On parle alors d’isolant dit de Mott, décrit par cette nouvelle physique appelée physique de Mott, en opposition à un isolant dit de bande qui serait parfaitement décrit par la théorie des bandes.

Physique de Mott et supraconductivité

Cette physique de Mott pourrait paraître bien peu intéressante si elle n’intervenait pas dans la quasi totalité des matériaux les plus complexes et innovants étudiés depuis les vingt-cinq dernières années! Parmi ces matériaux se trouvent notamment les cuprates, des céramiques à base de cuivre découvertes en 1986 par les suisses Johannes Georg Bednorz et Karl Alexander Müller , tous deux prix Nobel en 1987. Bien qu’étant des isolants de Mott au départ, ces céramiques se mettent à conduire parfaitement l’électricité sous une certaine température lorsque l’on retire ou que l'on ajoute une partie de leurs électrons via un procédé chimique appelé dopage (la page wikipédia concerne les semi-conducteurs mais c'est le même procédé chimique). L' image 1 montre comment la nature du matériau change en fonction de la température et du dopage. On appelle ces cuprates supraconducteurs à haute température critique car la température dite critique sous laquelle ces cuprates supra-conduisent est relativement haute (entre -180°C et -130°C) par rapport au zéro absolu (-273,15°C). (Voir un de mes article précédent pour plus d'informations sur le zéro absolu.)

Imaginez les applications possibles pour un matériau pouvant conduire l’électricité à l’autre bout du monde sans la moindre perte d’énergie! Il reste cependant deux problèmes majeurs à régler. Tout d’abord, la supraconductivité dans le plomb par exemple, également supraconducteur, est très bien comprise maintenant, ce qui est toujours loin d’être le cas de celle des cuprates : on parle de supraconductivité non-conventionnelle (l' image 2 présente un autre type de supraconducteurs non-conventionnels où c'est cette fois une compression qui fait naître la supraconductivité). Aussi, il faut encore énormément les refroidir pour bénéficier de cette conductivité parfaite, ce qui limite les applications à grande échelle.

Et la recherche là-dedans?

La recherche sur la physique de Mott vise à améliorer notre compréhension des isolants de Mott pour améliorer celle que nous avons des cuprates. Il serait alors possible d’en extraire une sorte de recette de cuisine permettant de fabriquer de nouveaux matériaux supraconducteurs bien plus performants pour enfin donner vie à ces rêves que sont le transport électrique parfait pour tous et la fin d’une partie des problèmes d’énergie dans le monde! (En effet, on perd environ 10% de notre électricité entre la centrale électrique et notre chez-nous à cause de la résistance des câbles électriques, ce qui représente des milliards de dollars de perte à l'échelle mondiale!)

Alors que notre aventure se termine, une dernière question se pose : de quoi est faite cette recherche? La première idée venant à l’esprit est bien sûr la recherche expérimentale qui étudie directement la matière à l’aide d’expériences ingénieuses mais on oublie souvent la partie théorique de la recherche et encore plus sa branche numérique. Cette dernière utilise des programmes informatiques pour simuler le comportement des électrons dans des matériaux tels que les cuprates. Plus exactement, ils permettent d’étudier la possibilité qu’un certain paramètre, comme la capacité d’un électron à se déplacer plus ou moins facilement ou encore la force de la répulsion entre électrons, puisse causer l’apparition de la supraconductivité. La physique numérique joue aujourd’hui un rôle important dans notre compréhension de cette supraconductivité non-conventionnelle car elle établit clairement que la physique de Mott en est la clé de voûte!

Nous voilà arrivés à la fin de ce voyage au cœur de la matière. Le Plus est différent de Philip Warren Anderson n’aura jamais autant pris son sens que dans ces cuprates, les interactions entre électrons pouvant faire de ces isolants de Mott les meilleurs supraconducteurs au monde! Il faut bien réaliser que ce sont de tels exemples de richesse dans la nature qui suscitent la passion chez les physiciens!

Voilà un peu autour de quoi tourne mon doctorat, j'espère que j'ai réussi à vous faire rêver un peu et à vous partager cette passion pour la physique qui est la mienne! À très bientôt!

Bien à vous,

Alexis