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Une onde de charge au cœur des vortex supraconducteurs

La nature de la relation entre supraconductivité et onde de densité formée par les charges électroniques suscite actuellement un intérêt très vif dans le domaine des supraconducteurs à haute température. Des physiciens grenoblois révèlent quel pourrait être le rôle des vortex supraconducteurs dans une relation aussi ambiguë qu’un « Je t’aime… Moi non plus » entre les deux phénomènes.

Il existe de nombreux matériaux dans lesquels la densité d’électrons varie spontanément de façon périodique, au lieu d’être spatialement uniforme. On parle alors d’ordre de charge ou d’onde de densité de charge. Bien que déjà observé sous diverses formes dans certains supraconducteurs à haute température, ce phénomène n’avait, jusqu’à présent, jamais été considéré comme universel et donc comme important. La découverte en 2011 par des chercheurs du Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses de Grenoble d’un ordre de charge dans le composé YBa2Cu3Oy a changé la donne en suggérant qu’il s’agit en réalité d’une tendance générique dans ces supraconducteurs. Par des mesures de résonance magnétique nucléaire dans YBa2Cu3Oy, la même équipe en collaboration avec des collègues américains et canadiens, a maintenant observé l’évolution de cet ordre de charge à basse température, au-dessus d’un champ « seuil ».

Les tubes jaunes représentent le cœur des vortex dont le rayon est défini par la longueur de cohérence supraconductrice ξsc. Les halos noirs et blancs représentent les zones où la densité de charge est modulée. La modulation de charge pourrait se développer sur une longue distance dans le supraconducteur quand ces halos, dont la densité augmente avec le champ magnétique, commencent à se chevaucher.

Ce champ seuil dépend du nombre de charges dans le système mais il se situe toujours dans un état où le fluide supraconducteur crée des tourbillons, appelés vortex, au centre desquels la supraconductivité s’éteint. Les chercheurs ont ainsi montré que le champ seuil pouvait s’expliquer si l’ordre de charge, parce qu’il est en compétition étroite avec l’état supraconducteur, venait se réfugier au cœur et autour des vortex. Augmenter le champ magnétique accroît la densité de vortex, ce qui permettrait, au-delà d’une densité critique, la formation d’une onde de densité de charge ordonnée sur une longue distance.

La formation d’un ordre de charges autour des vortex avait déjà été mise en évidence dans un autre cuprate supraconducteur, ce qui accrédite l’hypothèse d’un phénomène de compétition à la fois fondamental et universel. Si la proximité troublante entre supraconductivité et ordre de charge peut s’expliquer par de nouveaux modèles théoriques associant les deux effets, les chercheurs impliqués dans cette étude soulignent qu’un lien ne signifie pas nécessairement lien de causalité. Malgré les formidables progrès récents dans la compréhension des propriétés singulières de ces cuprates, l’origine de leur supraconductivité reste donc une question ouverte.
 
 
Contact chercheur : Marc-Henri Julien, LNCMI Grenoble / marc-henri.julien@lncmi.cnrs.fr
 
 
Publication : Emergence of charge order from the vortex state of a high temperature superconductor. T. Wu, H. Mayaffre, S. Krämer, M. Horvatić, C. Berthier, P.L. Kuhns, A.P. Reyes, W.N. Hardy, R. Liang, D.A. Bonn, and M.-H. Julien, Nature Communications (2013).