Supraconductivité : les fluctuations de spin, « colle » des électrons dans un cuprate

Une équipe internationale conduite par l'université de Bristol publie dans Nature Physics ce que ses auteurs présentent comme une « pièce à conviction » dans l'une des grandes énigmes de la physique : dans un cuprate dopé aux électrons, ce sont les fluctuations de spin, et non les vibrations du réseau cristallin, qui lient les électrons par paires. Le résultat, annoncé le 20 octobre 2026, ne résout qu'une partie d'un problème ouvert depuis quarante ans. Une énigme ouverte depuis 1986 La supraconductivité est la disparition totale de la résistance électrique d'un matériau en dessous d'une température dite « critique ». Elle a été découverte en 1911 par le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes, qui avait refroidi du mercure à −269 °C grâce à l'hélium liquide, rappelle CNRS Le Journal. Il a fallu attendre 1957 pour que John Bardeen, Leon Cooper et John Robert Schrieffer en donnent l'explication, connue sous le nom de théorie BCS : en dessous de la température critique, les vibrations du réseau cristallin poussent les électrons à s'associer par paires, lesquelles forment une onde collective qui envahit tout le matériau. Au-dessus de ce seuil, l'agitation thermique détruit cet état. En 1986, la découverte inattendue des premiers supraconducteurs « à haute température critique » a bouleversé ce tableau. Ces composés de synthèse à base d'oxyde de cuivre, les cuprates, détiennent toujours un record : −135 °C pour un cuprate au mercure, une température accessible avec de l'azote liquide. Mais ils défient la théorie BCS. Au départ, ce sont des isolants magnétiques ; c'est en leur ajoutant ou en leur retirant des électrons par « dopage » chimique qu'on les rend conducteurs, puis supraconducteurs. Leurs électrons sont « fortement corrélés » : ils se gênent mutuellement et ne se déplacent que collectivement. Surtout, selon le CNRS, chez eux « ce ne sont pas les vibrations des atomes qui constituent la colle entre les électrons ». Deux grandes explications s'opposaient jusqu'ici, sans consensus : des fluctuations magnétiques jouant le rôle de colle, ou une compétition entre des ordres électroniques exotiques. Une expérience conçue pour faire varier un seul paramètre L'équipe, qui réunit des chercheurs du Royaume-Uni, des Pays-Bas, de Chine et des États-Unis, a étudié un cuprate dopé aux électrons, l'oxyde de lanthane, de cérium et de cuivre (noté LCCO), dans lequel des atomes de cérium remplacent une partie des atomes de lanthane. Elle a fait croître un film mince, couche atomique après couche atomique, dont la température critique varie continûment d'une extrémité à l'autre, depuis sa valeur maximale jusqu'à zéro. Une rangée de contacts électriques gravés par lithographie a permis de mesurer la résistance en de nombreux points finement espacés, tout en conservant le même niveau de désordre dans l'ensemble du film. Les mesures, conduites au sein de l'European Magnetic Field Laboratory (EMFL), ont suivi l'évolution de la résistance selon la température, l'intensité du champ magnétique et la température critique locale. D'après la prépublication des auteurs, ces données révèlent une composante « inélastique » de la diffusion des électrons, fortement anisotrope, qui s'affaiblit nettement à mesure que le dopage augmente. Elle s'explique, selon eux, par la diffusion sur des fluctuations de spin antiferromagnétiques d'intensité variable. « Notre analyse nous a permis d'identifier la principale source de résistance de ce matériau : la diffusion sur les spins fluctuants », résume Caitlin Duffy, principale expérimentatrice de l'étude, ancienne doctorante à Bristol et aujourd'hui chercheuse postdoctorale au CNRS. Pourquoi la résistance renseigne sur la « colle » Le raisonnement repose sur un lien bien établi pour les supraconducteurs conventionnels. Chez eux, rappellent les auteurs, une même grandeur, le couplage entre électrons et vibrations du réseau (les phonons), commande à la fois la température critique et le taux de diffusion des électrons déduit de la résistivité, qui croît alors proportionnellement à la température. Autrement dit, l'interaction qui freine les électrons à l'état normal est aussi celle qui les apparie à basse température. Aucun équivalent de ce couplage n'avait été identifié dans les cuprates, bien qu'à fort dopage le coefficient de cette résistivité linéaire suive déjà la température critique. Le spin est une propriété quantique de l'électron qui en fait une sorte de minuscule aimant. Dans un matériau antiferromagnétique, les spins voisins tendent à s'orienter en sens opposés ; lorsque cet ordre n'est pas figé, ses fluctuations peuvent interagir avec les électrons de conduction. En montrant que l'intensité de cette interaction varie de concert avec la température critique, l'équipe établit le chaînon qui manquait. « La corrélation entre la force de cette interaction et la température critique a confirmé que l'origine de la supraconductivité dans ce matériau est bien l'interaction entre les électrons de conduction et les fluctuations de spin », explique Caitlin Duffy. Pour Nigel Hussey, professeur de physique à Bristol et co-auteur principal, les chercheurs ont trouvé « la pièce à conviction qui résout une partie de l'équation ». La moitié de la réponse seulement Les auteurs eux-mêmes en soulignent la limite. Le résultat ne concerne que les cuprates dopés aux électrons, alors que les températures critiques les plus élevées s'observent dans les cuprates dopés « en trous », c'est-à-dire privés d'une partie de leurs électrons. Les deux familles sont « taillées dans la même étoffe, mais cousues selon des motifs différents », observe Nigel Hussey. La comparaison avec les travaux antérieurs de l'équipe sur les cuprates dopés en trous suggère qu'il existe « un second ingrédient, manquant ». Selon l'article, la température critique plus élevée de ces matériaux ne s'explique pas par un simple renforcement du couplage aux fluctuations de spin, et leur compréhension pourrait exiger davantage qu'une simple extension de la théorie BCS. Celui qui trouvera cet ingrédient sera, selon Nigel Hussey, « un sérieux candidat à un futur prix Nobel de physique ». L'enjeu dépasse la physique fondamentale : la supraconductivité est déjà exploitée dans les aimants des appareils d'imagerie médicale, le transport d'électricité à haut rendement et les instruments de mesure très sensibles, rappelle l'université de Bristol. Le CNRS cite aussi les accélérateurs de particules et les réacteurs expérimentaux de fusion comme ITER. Pour comprendre Électron : la particule dont l'appariement, sous l'effet d'une « colle » encore débattue dans les cuprates, fait naître la supraconductivité. Conducteur : la notion de base pour saisir ce que signifie une résistance électrique qui tombe à zéro. Les électrons dans les solides : l'intrusion du magnétisme quantique dans l'électronique : le spin et le magnétisme quantique, au cœur du mécanisme mis en évidence. Sources C. M. Duffy et al., « Evidence for spin-fluctuation-mediated superconductivity in electron-doped cuprates », Nature Physics, octobre 2026 (DOI 10.1038/s41567-026-03454-6) Prépublication des auteurs, arXiv:2502.13612 Université de Bristol, communiqué « Researchers Discover ‘Smoking Gun’ to Help Solve Mystery of High-Temperature Superconductivity », 20 octobre 2026 (via Newswise) Phys.org, « 'Smoking gun' may help solve mystery of high-temperature superconductivity », 20 octobre 2026 CNRS Le Journal, Julien Bourdet, « Supraconductivité, la température monte ! »

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