Cuprate

Structure spatiale de l'ion hexafluorocuprate(IV).

Un cuprate est un composé chimique dans lequel du cuivre forme un anion ou un complexe dont la charge globale est négative.

Dans le cas du complexe, les ligands sont généralement des cyanures, des hydroxydes ou des halogénures.

Bien qu'ils soient des isolants électriques à l'état pur, à l'état « dopé », les cristaux de cuprates comptent parmi les « nouveaux supraconducteurs »[1] (supraconducteurs non conventionnels) et de la classe dite des « supraconducteurs à haute température critique » (HTSC). Ils sont aussi classés parmi les « matériaux à électrons fortement corrélés parmi lesquels ceux qui sont isolants à cause des interactions, comme les cuprates, sont appelés isolants de Mott »[2].

Supraconduction

La découverte de la supraconduction des cuprates a été faite par Johannes Georg Bednorz et Karl Alexander Müller qui en 1986 ont montré que certains systèmes de La-Ba-Cu-O (LBCO) devenaient supraconducteurs aux environs de 30 K.

En 1987, Ching-wu Chu (Paul Chu) et ses collègues ont découvert la température critique Tc phénoménale d’un composé de Y-Ba-Cu-O (YBCO) à 93 K[3]. Pour la première fois on dépassait la température de liquéfaction de l’azote (77 K), ce qui permettait des démonstrations grand public et des applications techniques bien moins coûteuses[2]. On s'est alors mis à rechercher des supraconducteurs à température plus élevée, voire à température ambiante. Un exemple est l'oxyde mixte de bismuth, de calcium, de cuivre et de strontium (BSCCO ou Bi2Sr2CanCun+1O2n+6-d) avec Tc = 95–107 K selon la valeur de n. L'oxyde mixte de baryum, de calcium, de cuivre et de thallium (TBCCO, TlmBa2Can−1CunO2n+m+2+δ) fut la famille suivante de cuprates supraconducteurs à haute Tc avec une Tc = 127 K observée dans le Tl2Ba2Ca2Cu3O10 (TBCCO-2223) en 1988[4]. La plus haute Tc confirmée, à pression ambiante, est 133 K, obtenue en 1993 avec le cuprate en couches HgBa2Ca2Cu3O8+x[5],[6]. Quelques mois plus tard, une autre équipe mesura une température critique supérieure à 150 K dans le même composé sous pression (153 K à 150 kbar)[7].

Et jusqu'en 2008, la plupart des supraconducteurs à haute température étaient des cuprates semi-conducteurs (dont les LBCO et YBCO).

Les cuprates d'yttrium ou de baryum sont les plus facile à produire, même en couche mince (avant même de découvrir leurs propriétés supraconductrices, on savait les déposer couche atomique par couche atomique[8]), mais ils ne représentent pas la plus haute température critique.

Mécanisme de supraconductivité

La supraconductivité à haute température critique dans les cuprates n'est pas encore clairement comprise. Ils sont pour cette raison classés parmi les supraconducteurs non conventionnels (comme les supraconducteurs organiques, les composés à fermions lourds, les pnictures de fer et le buckminsterfullerène (C60)[9]) mais :

  • les cuprates ont en commun une composition atomique en paires de « plans » faits de dioxyde de cuivre (CuO2), eux-mêmes intercalés de couches séparatrices très fines d’yttrium (épaisses de quelques atomes seulement), ces paires de plans étant isolées des autres par du baryum, de l’oxygène et des chaînes CuO[10]. Ce feuilleté atomique est soupçonné de jouer un rôle dans leurs propriétés exceptionnelles, et une certaine corrélation est observée entre le nombre de plans et la Tc (avec des variations selon les familles de cuprates)[9]. Des indices laissent penser que des relations tridimensionnelles entre les plans jouent aussi un rôle, mais encore mal comprises (et impliquant des modélisations 3D très anisotropes alors que jusqu'en 2013, la plupart des études de modèles étaient basées sur deux dimensions[2]) ;
  • une hypothèse dite « modèle de Hubbard » semble avoir depuis peu la faveur des physiciens, pour ce qui concerne la modélisation numérique[2].

Notes et références

  1. ↑ Deutscher, G. (2014), New superconductors. World Scientific Publishing Company.
  2. ↑ a b c et d Verret S. (2014), interplan et compétition de phases dans le modèle de Hubbard des cuprates ; Mémoire de maîtrise ès sciences (M.Sc.). Dpt. de physique de l'Université de Sherbrooke.
  3. ↑ M. K. Wu, J. R. Ashburn, C. J. Torng, P. H. Hor, R. L. Meng, L. Gao, Z. J. Huang, Y. Q. Wang, et C. W. Chu. (1987), Superconductivity at 93 K in a new mixed-phase Y-Ba-Cu-O compound system at ambient pressure, Physical Review Letters, 58(9), 908–910.
  4. ↑ (en) Z. Z. Sheng et Hermann A. M., « Bulk superconductivity at 120 K in the Tl–Ca/Ba–Cu–O system », Nature, vol. 332, no 6160,‎ , p. 138–139 (DOI 10.1038/332138a0, Bibcode 1988Natur.332..138S).
  5. ↑ (en) A. Schilling, M. Cantoni, J. D. Guo et H. R. Ott, « Superconductivity above 130 K in the Hg–Ba–Ca–Cu–O system », Nature, vol. 363, no 6424,‎ , p. 56–58 (DOI 10.1038/363056a0, Bibcode 1993Natur.363...56S).
  6. ↑ (en) Patrick A Lee, « From high temperature superconductivity to quantum spin liquid: progress in strong correlation physics », Reports on Progress in Physics, vol. 71,‎ , p. 012501 (DOI 10.1088/0034-4885/71/1/012501, Bibcode 2008RPPh...71a2501L, arXiv 0708.2115).
  7. ↑ (en) C. W. Chu, L. Gao, F. Chen, Z. J. Huang, R. L. Meng et Y. Y. Xue, « Superconductivity above 150 K in HgBa2Ca2Cu3O8+δ at high pressures », Nature, vol. 365, no 6444,‎ , p. 323 (DOI 10.1038/365323a0, Bibcode 1993Natur.365..323C).
  8. ↑ Laguës, M., XIE, X. M., Tebbji, H., Xiang, Z. X., Mairet, V., Hatterer, C., … et Deville-Cavellin, C. (1994), Transition résistive et diamagnétique à 250 K dans un film de cuprate déposé couche atomique par couche atomique, Comptes rendus de l'Académie des sciences. Série II, Mécanique, physique, chimie, astronomie, 318(5), 591-596.
  9. ↑ a et b Norman, M. R. (2011), The challenge of unconventional superconductivity, Science, 332(6026), 196-200.
  10. ↑ H. Shaked, P.M. Keane, J.C. Rodriguez, F.F. Owen, R.L. Hitterman, et J.D. Jorgensen, Crystal Structure of the Hich-Tc Superconducting Copper-Oxides, Physica C. Elsivier, (1994).

Voir aussi

Bibliographie

* Alloul, H. (2014). What is the simplest model that captures the basic experimental facts of the physics of underdoped cuprates?. Comptes Rendus Physique, 15(6), 519-524.
  • Anderson, P. W. (1997). The theory of superconductivity in the high-Tc cuprate superconductors (Vol. 446). Princeton, NJ: Princeton University Press (résumé).
  • Chakravarty, S., Laughlin, R. B., Morr, D. K. et Nayak, C. (2001), Hidden order in the cuprates, Physical Review B, 63(9), 094503.
  • Comin, R., Sutarto, R., He, F., Neto, E., Chauviere, L., Frano, A., … et Damascelli, A. (2014). The symmetry of charge order in cuprates. arXiv preprint arXiv:1402.5415.
  • Cyr-Choinière, O. (2014). Brisure de symétrie et reconstruction anisotrope de la surface de Fermi dans la phase pseudogap des cuprates ; Savoirs UdeS ; Université de Sherbrooke
  • da Silva Neto, E. H., Aynajian, P., Frano, A., Comin, R., Schierle, E., Weschke, E., … et Yazdani, A. (2014) Ubiquitous interplay between charge ordering and high-temperature superconductivity in cuprates. Science, 343(6169), 393-396.
  • Defossez, A. (1999). Étude du couplage entre plans CuO2 dans des cuprates supraconducteurs feuilletés naturellement ou artificiellement (Thèse de Doctorat), et notice Inist-CNRS.
  • Foyevtsova, K., Krogel, J. T., Kim, J., Kent, P. R. C., Dagotto, E. et Reboredo, F. A. (2014). Ab initio Quantum Monte Carlo Calculations of Spin Superexchange in Cuprates: The Benchmarking Case of Ca 2 CuO 3. Physical Review X, 4(3), 031003.
  • Fujita, K., Kim, C. K., Lee, I., Lee, J., Hamidian, M. H., Firmo, I. A., … et Davis, J. C. (2014). Simultaneous transitions in cuprate momentum-space topology and electronic symmetry breaking. science, 344(6184), 612-616.
  • Fujita, K., Hamidian, M. H., Edkins, S. D., Kim, C. K., Kohsaka, Y., Azuma, M., … et Davis, J. S. (2014), Direct phase-sensitive identification of a d-form factor density wave in underdoped cuprates, Proceedings of the National Academy of Sciences, 111(30), E3026-E3032.
  • Fujita, K., Hamidian, M. H., Edkins, S. D., Kim, C. K., Kohsaka, Y., Azuma, M., … et Davis, J. S. (2014), Direct phase-sensitive identification of a d-form factor density wave in underdoped cuprates, Proceedings of the National Academy of Sciences, 111(30), E3026-E3032.
  • Grissonnanche, G., Cyr-Choinière, O., Laliberté, F., de Cotret, S. R., Juneau-Fecteau, A., Dufour-Beauséjour, S., … et Taillefer, L. (2014). Direct measurement of the upper critical field in cuprate superconductors, Nature communications, 5.
  • John M, Auel C, Behrens C, Marsch M, Harms K, Bosold F, … et Boche G (2000), The relation between ion pair structures and reactivities of lithium cuprates. Chemistry-A European Journal, 6(16), 3060-3068 (résumé).
  • Kondo, T., Hamaya, Y., Palczewski, A. D., Takeuchi, T., Wen, J. S., Xu, Z. J., … et Kaminski, A. (2011). Disentangling Cooper-pair formation above the transition temperature from the pseudogap state in the cuprates, Nature Physics, 7(1), 21-25.
  • Laughlin, R. B. (2014), Hartree-Fock computation of the high-T c cuprate phase diagram, Physical Review B, 89(3), 035134.
  • Lee, P. A. (2014). Amperean pairing and the pseudogap phase of cuprate superconductors, Physical Review X, 4(3), 031017.
  • Leridon B. (1999), Supraconducteurs à haute température critique et applications, Éd. Techniques Ingénieur (Présentation Google Livres).
  • Lubashevsky, Y., Pan, L., Kirzhner, T., Koren, G. et Armitage, N. P. (2014). Optical birefringence and dichroism of cuprate superconductors in the THz regime, Physical Review Letters, 112(14), 147001.
  • Melikyan, A. et Norman, M. R. (2014). Symmetry of the charge density wave in cuprates, Physical Review B, 89(2), 024507.
  • Mishra, V., Chatterjee, U., Campuzano, J. C. et Norman, M. R. (2014), Effect of the pseudogap on the transition temperature in the cuprates and implications for its origin, Nature Physics, 10(5), 357-360.
  • Nie, L., Tarjus, G. et Kivelson, S. A. (2014). http://www.pnas.org/content/111/22/7980.full Quenched disorder and vestigial nematicity in the pseudogap regime of the cuprates]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 111(22), 7980-7985.
  • Rameau, J. D., Freutel, S., Rettig, L., Avigo, I., Ligges, M., Yoshida, Y., … et Bovensiepen, U. (2014). Photoinduced changes in the cuprate electronic structure revealed by femtosecond time-and angle-resolved photoemission, Physical Review B, 89(11), 115115.
  • Rice T.M., Gopalan, S. et Sigrist M. (1993), Superconductivity, spin gaps and Luttinger liquids in a class of cuprates. EPL (Europhysics Letters), 23(6), 445 (résumé).
  • Tabis, W., Li, Y., Tacon, M. L., Braicovich, L., Kreyssig, A., Minola, M., … et Greven, M. (2014). https://arxiv.org/pdf/1404.7658 Connection between charge-density-wave order and charge transport in the cuprate superconductors]. arXiv preprint arXiv:1404.7658.
  • Tsvelik, A. M. et Chubukov, A. V. (2014). Composite charge order in the pseudogap region of the cuprates, Physical Review B, 89(18), 184515.
  • Verret, S. (2014). interplan et compétition de phases dans le modèle de Hubbard des cuprates ; méemoire de maître ès sciences (M.Sc.). Dpt.de physique de l'Université de Sherbrooke
  • Wang, Y. et Chubukov, A. (2014). Charge-density-wave order with momentum (2 Q, 0) and (0, 2 Q) within the spin-fermion model: Continuous and discrete symmetry breaking, preemptive composite order, and relation to pseudogap in hole-doped cuprates, Physical Review B, 90(3), 035149.
  • Wen, X. G. et Lee, P. A. (1996) Theory of underdoped cuprates, Physical Review Letters, 76(3), 503.
  • Wise, W. D., Boyer, M. C., Chatterjee, K., Kondo, T., Takeuchi, T., Ikuta, H., … et Hudson, E. W. (2008). Charge-density-wave origin of cuprate checkerboard visualized by scanning tunnelling microscopy, Nature Physics, 4(9), 696-699.

Articles connexes

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