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L’étrange supraconducteur UTe2 se dévoile…


​Deux équipes du CEA-Irig dévoilent des propriétés remarquables du composé UTe2. Des fluctuations ferromagnétiques localisées sur les atomes d'uranium les plus proches voisins expliqueraient la formation de paires d'électrons de spins parallèles signant sa supraconductivité non conventionnelle de type « triplet ». Par ailleurs, de nouvelles phases supraconductrices ont été découvertes sous de très hauts champs magnétiques.
Publié le 23 mars 2022

La supraconductivité n'a pas encore livré tous ses secrets… Elle se caractérise par la formation spontanée de paires d'électrons dites de Cooper, malgré la répulsion électrostatique entre charges de même signe. Ces paires cohérentes et intriquées sont toutes dans le même état quantique, ce qui confère au matériau ses propriétés physiques remarquables comme l'annulation de sa résistance électrique.

Dans les supraconducteurs conventionnels, cet appariement paradoxal est favorisé par des vibrations du réseau cristallin (phonons). Dans les autres cas, il trouve son origine dans le magnétisme, et plus précisément dans les fluctuations magnétiques affectant le matériau avant la transition vers la phase supraconductrice.

Selon le modèle le plus courant, des fluctuations antiferromagnétiques favorisent la formation de paires de Cooper avec des spins antiparallèles (état singulet), comme c'est le cas dans les matériaux supraconducteurs conventionnels. En revanche, des fluctuations ferromagnétiques entraînent la formation de paires de Cooper avec des spins parallèles (état triplet).

Découverte en 2018, la supraconductivité du composé UTe2 est particulièrement intrigante : elle est en effet renforcée sous un champ magnétique très fort. Cette observation conduit les chercheurs à conclure à un état triplet. Or, en 2021, des universitaires américains mettent en évidence des fluctuations antiferromagnétiques qui ne sont a priori pas cohérentes avec un état triplet.  

Des chercheurs de l'Irig et leurs partenaires ont repris ces analyses, en utilisant la diffusion de neutrons avec une instrumentation plus précise à l'Institut Laue-Langevin, à Grenoble.

La structure magnétique du composé UTe2 est organisé en sortes d'« échelles » dont les barreaux sont formés par des paires d'atomes d'uranium très proches. Les mesures neutroniques ont permis d'identifier, au milieu de fluctuations antiferromagnétiques majoritaires, des fluctuations ferromagnétiques localisées au niveau des « barreaux » de l'échelle, entre deux atomes d'uranium voisins. Cette observation s'accorde avec l'existence d'un état triplet.

Low-dimensional antiferromagnetic fluctuations in the heavy-fermion paramagnetic ladder compound UTe2, Physical Review B



Supraconductivité dans UTe2 et champ magnétique

De manière étonnante, la température critique vis-à-vis de la supraconductivité dans UTe2 remonte au-dessus de 15 teslas, jusqu'à 35 teslas – une valeur 10 à 100 fois plus élevée que pour les matériaux supraconducteurs conventionnels. Loin de la détruire comme dans un matériau classique, le champ magnétique renforce la supraconductivité !

Des chercheurs de l'Irig et du Laboratoire national des champs magnétiques intenses de Toulouse ont aussi confirmé l'existence d'un nouvel état supraconducteur au-dessus de 45 teslas et qui se maintient au moins jusqu'à 60 teslas selon une direction spécifique à ce cristal. Sous haute pression, ils ont également découvert des transitions entre différentes phases supraconductrices, à champ magnétique nul et sous champ.

Field-Reentrant Superconductivity Close to a Metamagnetic Transition in the Heavy-Fermion Superconductor UTe2, J.Phys.Soc.Japan

Comparison of two superconducting phases induced by a magnetic field in UTe2, Communications Physics

Pour en savoir plus, lire sur le site de l'Irig.

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