Louis-Bernard St-Cyr
Titulaire d’une maîtrise en physique à l’Université de Sherbrooke, présentement candidat au doctorat en physique, Université Laval
Publication primée : Effect of the Coulomb repulsion and oxygen level on charge distribution and superconductivity in the Emery model for cuprates superconductors
Publiée dans : SciPost Physics Core / SciPost Foundation
Résumé
En 1911, un physicien néerlandais fit la découverte que certains matériaux, lorsqu’ils sont refroidis à des températures extrêmes proches du zéro absolu (-273,15 degrés Celsius), permettent de conduire un courant électrique sans aucune perte. Les matériaux présentant cette caractéristique sont ce qu’on appelle des supraconducteurs, et le phénomène physique expliquant ce comportement se nomme la supraconductivité. La température critique d’un supraconducteur correspond à la température en deçà de laquelle le matériau perd toute résistance électrique.
En 1986, on fit la découverte d’une nouvelle famille de matériaux qui présentaient des températures critiques beaucoup plus élevées que tout ce qui avait été observé auparavant : les cuprates. Ces matériaux ont en commun de contenir des plans composés d’atomes de cuivre et d’oxygène. Encore à ce jour, cette famille de matériaux possède les températures critiques les plus élevées connues, à pression ambiante. Le mécanisme d’appariement des électrons qui permet l’apparition de l’ordre supraconducteur chez les cuprates ne peut toutefois pas être expliqué parfaitement par aucune théorie connue.
Pour effectuer une étude théorique des cuprates, il est nécessaire d’utiliser des modèles simplifiés qui reproduisent l’agencement périodique des atomes dans un solide. Le plus célèbre et le plus étudié de ces modèles est le modèle de Hubbard à une bande. Dans un tel modèle, on considère un réseau périodique de taille infinie, dans lequel le « motif » qui se répète ne contient qu’un seul atome. En considérant l’interaction de Coulomb entre deux électrons (la répulsion) occupant le même atome, il est possible de reproduire certaines propriétés physiques des cuprates.
Ce modèle n’est toutefois pas suffisant pour décrire la relation entre la température critique de certains cuprates et la densité d’électrons sur les atomes d’oxygène, telle qu’observée expérimentalement. Pour ce faire, un modèle plus complet est nécessaire : le modèle d’Emery. Dans celui-ci, le motif qui se répète comprend deux atomes d’oxygène et un atome de cuivre. Comme pour le modèle de Hubbard à une bande, l’interaction de Coulomb sur les atomes de cuivre est prise en compte grâce à un paramètre nommé U, mais on ajoute maintenant des paramètres supplémentaires, dont εₚ, qui représente l’énergie des atomes d’oxygène.
L’article de Louis-Bernard St-Cyr et de son superviseur utilise une méthode numérique avancée pour résoudre le modèle d’Emery. Les deux coauteurs ont comparé la répartition des électrons entre les atomes de cuivre et d’oxygène, tirée de leurs résultats théoriques, avec les résultats expérimentaux d’un groupe de recherche à Leipzig. Grâce à ces comparaisons, ils ont pu déterminer des ensembles de paramètres microscopiques (les valeurs de U et εₚ, entre autres) propres à deux composés de cuprates précis : le LCO et le YBCO. Ils ont déterminé également le rôle important que joue U – εₚ sur la répartition des électrons dans ce modèle. Finalement, les chercheurs suggèrent une relation importante entre l’ordre antiferromagnétique et la supraconductivité chez une sous-classe de cuprates qu’on appelle les cuprates dopés aux électrons.