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Comment les métamatériaux pourraient détenir la clé de la supraconductivité à haute température
Les métamatériaux sont l'une des merveilles de la physique moderne. Fabriqués à l'aide de motifs 3D répétés de composants électroniques tels que des condensateurs et des résistances, les métamatériaux interagissent avec les ondes lumineuses, les dirigeant d'une manière impossible avec des objets ordinaires. Le résultat : plus de capes d'invisibilité que vous ne pouvez en agiter.
Mais il n'y a pas de magie à l'œuvre. La théorie générale qui explique cela est connue sous le nom d'optique de transformation. Et les mathématiques qui la sous-tendent sont formellement analogues aux équations qui décrivent comment la masse déforme l'espace-temps pour générer la gravité. C'est pourquoi les physiciens ont pu utiliser un métamatériau pour simuler la façon dont un trou noir piège la lumière.
Igor Smolyaninov et Vera Smolyaninova de l'Université du Maryland à College Park affirment que les métamatériaux peuvent être formellement liés à un autre domaine de la physique : la supraconductivité. En particulier, ils disent que les supraconducteurs peuvent être une forme spéciale de métamatériau qui dirige les électrons au lieu de la lumière. Cela soulève la possibilité alléchante que le secret de la supraconductivité à haute température pourrait résider dans le développement d'une nouvelle génération de métamatériaux qui exploitent davantage cette idée.
Tout d'abord, un peu de contexte. La supraconductivité est le phénomène de résistance nulle dans les matériaux refroidis en dessous d'une certaine température critique. Les supraconducteurs expulsent également des champs magnétiques, un phénomène connu sous le nom d'effet Meissner.
Pendant de nombreuses années après la découverte de la supraconductivité en 1911, les physiciens étaient perplexes quant à son origine. Puis, en 1957, John Bardeen, Leon Cooper et John Schrieffer ont résolu le problème en utilisant ce qui est maintenant connu sous le nom de théorie BCS.
Leur idée est qu'à basse température, les électrons se doublent pour former des paires de Cooper qui traversent ensemble le réseau de matériaux. Ils le font avec une résistance nulle en échangeant des phonons - des particules quantiques de vibration - avec le réseau.
En effet, les paires de cuivre sont balayées à travers le réseau par ces phonons, qui dégagent le passage des obstructions, comme les autres électrons. C'est pourquoi il n'y a aucune résistance.
Cette capacité à diriger les électrons peut sembler familière. En effet, les Smolyaninov et Smolyaninova affirment que les supraconducteurs à haute température tels que les BSCCO (oxydes de bismuth strontium calcium cuivre supraconducteurs à plus de 100 K) ont une similitude formelle avec les métamatériaux que les physiciens ont déjà construits pour diriger la lumière.
C'est parce qu'ils sont constitués de couches d'atomes aux propriétés métalliques intercalées avec des couches d'atomes qui ont des propriétés diélectriques (voir schéma). En effet, ce sont les métamatériaux ultimes construits à l'échelle atomique.
Cela soulève la perspective fascinante que les physiciens pourraient un jour concevoir leurs propres métamatériaux supraconducteurs. Et avec une meilleure compréhension de la façon dont ces couches dirigent les électrons avec une résistance nulle, il pourrait même être possible de fabriquer des matériaux supraconducteurs à des températures plus élevées qu'aujourd'hui. Nous soutenons que l'approche métamatériau de l'ingénierie de la réponse diélectrique peut augmenter considérablement la température critique d'un métamatériau composite supraconducteur-diélectrique, disent-ils.
Entendons-nous la température ambiante ? Peut-être pas encore. Ce n'est qu'une idée à l'heure actuelle et de nombreux défis importants nous attendent. Le premier est de trouver un moyen de concevoir un métamatériau supraconducteur et de prédire ses propriétés supraconductrices. Après cela viendrait le défi important de le synthétiser.
Ces deux exploits semblent être loin. Néanmoins, la science des métamatériaux a évolué rapidement. En à peine dix ans, il est passé de la fiction littéraire fantastique à la construction de capes d'invisibilité fonctionnelles, de trous noirs artificiels et même d'univers synthétiques.
C'est pourquoi seul un idiot parierait contre la supraconductivité comme étant le prochain cran sur le montant du lit en métamatériau.
Réf : arxiv.org/abs/1311.3277 : Y a-t-il une route des métamatériaux vers la supraconductivité à haute température ?