Les travaux sur l’origine de la supraconductivité dans les oxydes de bismuth du laboratoire de Cristallographie et Science des Matériaux (CRISMAT, UMR 6508 – ENSICAEN – UNICAEN – CNRS) sont publiés dans la revue scientifique npj Computational Materials d’avril 2023.
Julien Varignon, maître de conférences à l’ENSICAEN et au laboratoire CRISMAT expose dans l’article « Origin of superconductivity in hole doped SrBiO3 bismuth oxide perovskite from parameter-free first-principles simulations » l’étude du compose Sr1-xKxBiO3 pour déterminer le niveau théorique requis pour modéliser la supraconductivité des oxydes et comprendre les mécanismes à l’origine de l’appariement des électrons en paire de Cooper.
Origine de la supraconductivité dans les oxydes de bismuth
Spécialiste des simulations de structure électronique appliquées aux oxydes, Julien Varignon a mis en évidence qu’une modélisation précise des différents degrés de liberté permettent de reproduire le diagramme de phase du composé Sr1-xKxBiO3. La transition de l’état isolant pour x=0 vers l’état supraconducteur à x>0.4 est bien reproduite par les simulations. De plus, la supraconductivité est expliquée par un fort couplage électron-phonon avec une valeur calculée très proche de la valeur expérimentale. Cette étude qualifie donc la technique DFT (Density Functional Theory ou théorie de la fonctionnelle de la densité) pour l’étude de la supraconductivité dans les oxydes.
La supraconductivité est une propriété particulière des matériaux caractérisée par une résistance nulle au courant électrique et à l’expulsion du champ magnétique. De nombreuses applications sont alors possibles dans l’acheminement du courant sans perte et les transports. Le Maglev, train à sustentation magnétique circulant au Japon, utilise par exemple la supraconductivité pour se déplacer sans contact avec les rails. Les matériaux supraconducteurs ne fonctionnent malheureusement qu’en dessous de 135 K, soit -140°C à pression atmosphérique à l’heure actuelle.
A l’échelle, microscopique, la supraconductivité est expliquée par la formation de paires d’électrons appelée paires de Cooper. L’interaction appariant deux électrons restes à ce jour encore débattue et à unifier entre tous les matériaux. Dans les oxydes, les fortes corrélations électroniques associées aux orbitales partiellement remplies des cations sont souvent proposées comme un aspect clé de la supraconductivité.
Dans ce cadre, la DFT ne traitant que des effets de corrélations de manière statique est souvent disqualifiée pour comprendre les mécanismes à l’origine de la supraconductivité. Néanmoins, ces assertions sont souvent liées à des simulations impliquant des modélisations des interactions entre électrons trop peu évoluées ou encore n’incluant pas les nombreux degrés de liberté des oxydes. En incluant les degrés de liberté pertinents dans les simulations, la DFT permet ainsi de comprendre l’origine de la supraconductivité des oxydes de bismuth et ouvre la voie à des études plus vastes.
Julien Varignon remercie les accès aux supercalculateurs du CRIANN – Centre Régional Informatique et d’Applications Numériques de Normandie à travers les projets 2020005 et 2007013 et du CINES – Centre informatique national de l’enseignement supérieur via le projet DARI A0080911453.