Paris, 26 novembre 2010

Supraconductivité à haute température : un nouvel ordre magnétique aux origines du phénomène ?

Les matériaux supraconducteurs à haute température critique révèlent une part de leur mystère : les chercheurs du Laboratoire Léon Brillouin (CEA/CNRS), en collaboration avec des scientifiques de l'université du Minnesota (USA), sont parvenus à valider expérimentalement la théorie selon laquelle il existerait dans ces matériaux un état ordonné de la matière, aux propriétés magnétiques inédites, qui précèderait la phase supraconductrice. Cette découverte a fait l'objet d'une publication en novembre dans la revue Nature et constitue une étape importante dans la maîtrise de la supraconductivité à haute température.
Découverte en 1911, la supraconductivité est un état de la matière caractérisée par l'absence de résistance électrique et l'annulation du champ magnétique. Les matériaux supraconducteurs sont ainsi en mesure de conduire le courant électrique sans déperdition d'énergie. Pour devenir supraconducteur, ces matériaux doivent classiquement être portés à une température extrêmement basse, qui peut varier entre 1 et 20 K (soit entre -272 et -253 degrés Celsius), mais qui reste proche du zéro absolu.

Depuis 1987 cependant, la supraconductivité n'est plus confinée à ces températures extrêmes : les chercheurs ont découvert que certains matériaux à base d'oxyde de cuivre étaient capables d'atteindre l'état supraconducteur à une température de 135 K (-138 degrés Celsius). Alors que les supraconducteurs classiques nécessitent un refroidissement à l'hélium liquide, ces matériaux, appelés supraconducteurs à haute température critique, peuvent être simplement refroidis à l'azote liquide, ce qui pourrait rendre leur utilisation beaucoup plus accessible.

Pour expliquer ce phénomène de la supraconductivité à haute température, les physiciens doivent parvenir à élucider le comportement particulier de ces matériaux qui, avant de devenir supraconducteurs, passent par une phase totalement inédite. Au cours de cette phase intermédiaire, appelée phase de « pseudo-gap », apparaissent des propriétés électroniques anormales, qui ne correspondent pas au comportement des métaux conventionnels.

Plusieurs modèles théoriques ont été proposés pour décrire cette phase de pseudo-gap. L'un d'entre eux, celui du professeur C.M. Varma, de l'Université de Riverside (Californie), postule l'existence d'un ordre caché d'où émergerait l'état supraconducteur de la matière : en dessous d'une certaine température, apparaîtrait un nouvel état de la matière dans lequel des boucles microscopiques de courant électrique se formeraient de manière spontanée. La phase de pseudo-gap résulterait de l'apparition de ces nano-boucles de courant.

C'est cette théorie qu'une équipe du Laboratoire Léon Brillouin (CEA/CNRS), en collaboration avec une équipe de l'université du Minnesota (USA), vient de valider, grâce aux observations réalisées avec le spectromètre à neutrons polarisés IN20(1) de l'Institut Laue Langevin (ILL). En effet, pour la première fois, l'équipe a pu ainsi observer une excitation magnétique insoupçonnée, présentant une très faible dispersion et n'existant exclusivement que dans la phase de pseudo-gap. Ce comportement est celui attendu lorsqu'on postule l'existence de nano-boucles de courant. Après la mise en évidence d'un ordre magnétique dans la phase pseudo-gap en 2006, l'observation de ses excitations magnétiques renforce donc la théorie d'une origine magnétique de la supraconductivité à haute température. L'interprétation de ce phénomène fascinant semble proche, mais ces observations doivent encore être validées sur d'autres composés.

Expliquer les performances de ces matériaux supraconducteurs à haute température critique est un vrai défi. De nombreux laboratoires sont en compétition à travers le monde pour découvrir les fondements théoriques de la supraconductivité à haute température critique. Les enjeux scientifiques et technologiques sont majeurs car les contraintes liées aux très basses températures nécessaires pour atteindre l'état supraconducteur de la matière restent un frein au développement des technologies utilisant la supraconductivité.

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BOUJEMAA Nozha
 
Statut
Directrice de recherche à l'INRIA où elle dirige l'équipe IMEDIA

Parcours
1993 Docteur en informatique
Directrice de recherche à l'Institut National de recherche en informatique et en automatique
Elle a été impliquée dans plusieurs missions d'expertises scientifiques auprès d'organismes industriels et gouvernementaux internationaux

Spécialités
Ses travaux de recherche concernent les méthodes de reconnaissance des formes, la modélisation de l'apparence visuelle et la recherche d'images par le contenu. Ses travaux ont été appliqués à plusieurs domaines impliquant l'image numérique comme l'audiovisuel, la sécurité, l'héritage culturel et la biodiversité végétale.

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Analyse d'images par traitement de Fourier optique

Montage expérimental dans lequel est visualisé le spectre d'une image au niveau du plan de Fourier. Deux exemples de traitements d'images sont présentés : le floutage et le démultiplexage.

Vidéo issue du projet VideoManip dont l'objectif est la réalisation de courtes séquences filmées, montrant des expériences réelles, qui seraient à la fois trop complexes pour être montées et montrées en amphi, et pas assez riches d'enseignement pour justifier un TP de plusieurs heures. Les sciences de l'ingénieur consistent à utiliser un phénomène physique pour construire un objet répondant à un besoin donné. Cela suppose de la part des scientifiques, des (futurs) ingénieurs et des (futurs) enseignants qui les forme(ro)nt une connaissance assez intime des phénomènes physiques exploitables. Dans le processus d'acquisition de cette connaissance, rien ne remplace la confrontation directe au phénomène étudié au travers de l'expérimentation. La "manip de cours" ou "manip d'amphi" (expérimentation par le professeur pendant le cours magistral) permet de confronter immédiatement les étudiants au phénomène étudié sans avoir à attendre qu'ils aient acquis suffisamment de compétence pour pouvoir manipuler eux-mêmes. Ce genre d'illustration représente un investissement important, tant pour la mise en place de l'expérimentation elle-même que pour celle des dispositifs annexes permettant de la faire visualiser par un grand auditoire.

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Les machines d'aujourd'hui et de demain

Dans cette vidéo, Albert Cohen montre les liens entre la science informatique et l'architecture des ordinateurs, donc leur conception. Il explique les outils logiciels permettant de profiter des performances des processeurs (du compilateur aux outils liés au système d'exploitation). Sur les processeurs classiques, il suffit de compiler (de traduire en langage machine) le programme pour l'exécuter et lui permettre d'accéder aux ressources de l'ordinateur. Sur les nouveaux processeurs, il y a une vraie rupture et les interactions entre architectures de machines et langages de programmation deviennent de vrais défis scientifiques passionnants. Un exemple est celui des langages de programmation pour le calcul parallèle à haute performance, jusqu'à péta-flopique (10^15 calculs numériques par secondes !).

Ce cours a été donné en juin 2010 lors des journées de formation à l'informatique organisées par l'INRIA à destination des professeurs de mathématiques d'Ile de France. Il est composé d'une heure et quart de cours et d'un quart d'heure de questions-réponses sur le cours.

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