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Adieu l’électronique, bonjour l’oxytronique !


Adieu l'électronique, bonjour l'oxytronique !

 

Jusqu’à la fin des années 1970, notre image d’un matériau supraconducteur type était celle d’un bon métal, dans lequel l’interaction entre les électrons et les vibrations atomiques du cristal (les phonons) favorise la formation d’un état quantique « condensé » de couples d’électrons – les paires de Cooper – lorsqu’on abaisse la température au dessous d’une valeur critique Tc. La théorie BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer) donnait une description quantitative de cette phase ; ces paires s’organisent en un état collectif où la résistance électrique est idéalement nulle et où le système s’efforce d’expulser le champ magnétique.

 

Tel un coup de tonnerre, l’annonce de la mise en évidence de supraconductivité à haute Tc dans une céramique d’oxyde de cuivre a mis la communauté scientifique sens dessus dessous, dans le milieu des années 1980. Jugez plutôt. La céramique (du grec kéramos, « terre à potier », « argile ») s’apparente plus à un matériau isolant qu’à un métal ; on l’utilise ainsi par exemple dans les isolateurs électriques ou encore dans les prothèses dentaires. En utilisant une expression volontairement réductrice, on dirait qu’en abaissant suffisamment la température, on transforme un mauvais métal en un excellent supraconducteur. Les valeurs de Tc les plus élevées - environ -120°C actuellement - sont 5 à 6 fois supérieures à celles des supraconducteurs traditionnels, si bien qu’on peut facilement descendre en dessous de Tc en plongeant le matériau dans l’azote liquide (le fluide cryogénique de prédilection des adeptes de la nouvelle cuisine née de la gastronomie moléculaire).

 

Pensiez-vous que nous étions au bout de nos surprises ? Que nenni….

 

Dans un article publié en 2004 dans la revue Nature, Ohtomo et Hwang annoncent la mise en évidence d’une phase métallique lorsqu’on dépose un matériau fortement isolant (l’aluminate de lanthane, LaAlO3) sur un autre matériau… isolant (le titanate de strontium, SrTiO3). C’est un peu comme si l’on vous disait qu’il suffit de poser une plaque de contreplaqué sur une table en bois pour obtenir un métal. Pratique, non, dans un contexte où le cuivre tend à devenir une denrée rare ? Mieux encore, plongez le tout dans un réfrigérateur, et votre sandwich isolant se révèle supraconducteur ! Evidemment c’est un réfrigérateur un peu particulier, dit « cryostat à dilution », qui peut abaisser la température jusqu’à des valeurs vraiment très, très basses (presque -273°C, soit proche du zéro absolu). La mise en évidence de ce phénomène, et son analyse, sont le fruit d’une collaboration tripartite, impliquant le DPMC de l’Université de Genève, l’EKM de l’Université d’Augsburg et le LPS.

 

A ces températures, vous aurez un peu de mal à manipuler votre échantillon pour pouvoir l’étudier. Il faudra alors vous transformer en Sherlock Holmes pour enquêter sur l’origine et la nature des phases métallique et supraconductrice. Vous constaterez alors que si les électrons viennent bien du substrat SrTiO3 (de votre « table »), les propriétés conductrices, elles, concernent essentiellement le voisinage de sa surface de contact avec LaAlO3. L’analyse théorique de la conduction dans ce système constitue une « pierre de Rosette » qui vous livre des clés de cette alchimie ainsi que quelques pistes sur les propriétés des céramiques d’oxyde de cuivre. Mieux encore, elle vous affirme que vous pouvez construire sur l’interface un véritable réseau « routier » de pistes métalliques séparées par des zones isolantes, dont la forme est ce que vous souhaitez. Il suffit pour cela de jouer localement sur l’épaisseur de votre « contreplaqué (le nombre de couches de LaAlO3 surmontant le substrat à un endroit donné). On assiste là à l’émergence d’une technologie utilisant de nouveaux composants électroniques à base d’oxydes, à laquelle nous donnons le nom d’oxytronique (en Français)/ oxitronics (en Anglais).

 

 

Contact :

Marc Gabay,
Laboratoire de Physique des Solides,
Université Paris-Sud 11, CNRS UMR8502,
91405 Orsay cedex
téléphone : 01 69 15 69 26
courriel : Marc Gabay

Pour en savoir plus :
- Ohtomo, H. Y. Hwang, Nature 427, 423 (2004) corr. Nature 441, 120 (2006)

- N. Reyren, S. Thiel, A. D. Caviglia, L. Fitting Kourkoutis, G. Hammer, C. Richter, C. W. Schneider, T. Kopp, A.-S. Ruetschi, D. Jaccard, M. Gabay, D. A. Muller, J.-M. Triscone, J. Mannhart, Science 317, 1196 (2007) (published online 1 August 2007 10.1126/science.114.6006).