La lumière peut-elle déclencher la supraconductivité ? Une nouvelle étude relance le débat

De brèves rafales de lumière pourraient transformer certains matériaux en supraconducteurs fugaces. Une nouvelle étude renforce les arguments en faveur de cette affirmation controversée, formulée pour la première fois il y a plus d'une décennie. Mais tandis que certains physiciens sont convaincus, d'autres restent sceptiques.

Les supraconducteurs transmettent l'électricité sans résistance, généralement seulement à basse température. Mais depuis 2011, certains scientifiques affirment que certains matériaux, lorsqu'ils sont frappés par des impulsions laser intenses et ultracourtes, peuvent brièvement devenir des supraconducteurs à des températures bien supérieures à leur limite normale, y compris à température ambiante.

Les recherches précédentes ont montré un changement temporaire de la réflectivité des cuprates, des composés contenant du cuivre et de l'oxygène, lorsqu'ils sont bombardés de lumière. Ce changement indiquait une chute de résistance durant seulement quelques trillions de secondes, ou picosecondes. Les détracteurs ont soutenu que ce changement pourrait être causé par des effets autres que la supraconductivité.

La nouvelle étude réplique. Un cuprate expulse les champs magnétiques lorsqu'il est frappé par la lumière, rapportent le physicien Andrea Cavalleri et ses collègues le 10 juillet dans Nature. Cette expulsion, disent-ils, est la signature de la supraconductivité connue sous le nom d'effet Meissner.

L'observation est « essentiellement une signature indéniable de la supraconductivité », déclare le physicien Dmitri Basov de l'Université de Columbia, qui n'a pas participé à la recherche.

Tout le monde n'est pas convaincu par le nouvel ouvrage. « Ils voient ce changement qui dure [environ] une picoseconde, et il n'est pas immédiatement évident que c'est la même chose que l'effet Meissner », déclare le physicien Steve Dodge de l'Université Simon Fraser à Burnaby, Canada.

Les supraconducteurs suscitent un intérêt intense de la part des physiciens, en partie en raison de leur potentiel technologique. Un supraconducteur fonctionnant à haute température pourrait permettre une transmission d'énergie plus efficace, par exemple, économisant potentiellement d'énormes quantités d'énergie. Et des mystères entourent encore le phénomène. Les cuprates sont supraconducteurs à des températures plus élevées que la plupart des autres, et on ne comprend toujours pas complètement pourquoi.

Les scientifiques savaient que la lumière pouvait perturber la supraconductivité, mais l'idée que la lumière pouvait aussi la créer était inattendue et controversée. Et dans les études précédentes, « les choses étaient un peu subjectives, elles « sentaient » comme un supraconducteur mais... on ne pouvait pas vraiment être sûr », déclare Cavalleri, de l'Institut Max Planck pour la Structure et la Dynamique de la Matière à Hambourg.

Alors Cavalleri et ses collègues ont concentré leurs efforts sur l'effet Meissner. Ils ont étudié un type de cuprate appelé oxyde de cuivre de baryum d'yttrium, ou YBCO. C'est une classe de composés qui avaient déjà montré des signes de supraconductivité induite par la lumière.

Mesurer précisément les changements de champ magnétique sur les picosecondes n'est pas une tâche facile. « Aucune technique existante ne vous permet de réaliser cette mesure », déclare Cavalleri.

L'équipe a mis au point un schéma qui utilisait un cristal de phosphure de gallium placé à côté du YBCO pour mesurer les champs magnétiques. Au cours d'expériences effectuées dans un champ magnétique préexistant, les chercheurs ont frappé le YBCO avec le laser et ont envoyé un deuxième laser à travers le cristal. Le passage à travers le cristal a modifié la polarisation du laser, l'orientation de ses ondes électromagnétiques, de manière dictée par le champ magnétique à l'intérieur du cristal. Cet effet a permis à l'équipe de déterminer comment le champ magnétique changeait près du YBCO alors qu'il était bombardé de lumière à une température normalement supérieure à la limite de supraconductivité du YBCO.

Si le YBCO devenait un supraconducteur, il expulserait les champs magnétiques de l'intérieur en raison de l'effet Meissner. Cela se traduirait par un champ magnétique plus fort au bord du YBCO, ce que l'équipe a effectivement constaté. Les mesures devaient être réalisées extrêmement rapidement pour capturer l'effet Meissner de courte durée, explique Basov. « C'est un concept brillant et une exécution brillante. »

Le physicien Nan-Lin Wang de l'Université de Pékin est convaincu que les champs magnétiques sont expulsés lorsque l'impulsion laser frappe le YBCO. Mais s'il s'agit là de l'implémentation de la supraconductivité telle qu'elle est normalement définie, cela reste flou. Il pourrait s'agir de l'amplification de courants supraconducteurs préexistants à petite échelle, plutôt que de la supraconductivité à grande échelle typique. « La physique sous-jacente pourrait être très complexe », déclare-t-il.

Mais Dodge fait valoir qu'autre chose que la supraconductivité pourrait être responsable. À des intensités élevées de lumière, note-t-il, des phénomènes complexes et inattendus peuvent se produire. « J'aimerais voir ... un examen attentif pour m'assurer qu'ils ne confondent pas un autre effet avec un effet Meissner. » Ce qui est précisément à l'origine du changement dans le champ magnétique n'est pas clair, affirme Dodge. Bien qu'il reste sceptique quant à l'affirmation de supraconductivité, il déclare que « c'est une expérience intéressante car elle soulève certaines questions auxquelles je n'ai certainement pas de réponse. »