Interprétation artistique de la transition supraconductrice. Crédit : Laboratoire national des accélérateurs du SLAC
Les résultats couronnent 15 ans de travail de détective visant à comprendre comment ces matériaux passent à un état supraconducteur où ils peuvent conduire l’électricité sans perte.
Il y a 35 ans, les chercheurs étaient ravis lorsqu’une nouvelle et passionnante nouvelle classe de matériaux supraconducteurs a été découverte.
Ces oxydes de cuivre ou cuprates, comme d’autres supraconducteurs, conduisaient l’électricité sans résistance ni perte lorsqu’ils étaient refroidis en dessous d’un degré spécifique – mais à des températures nettement plus élevées que ce à quoi les scientifiques s’attendaient. Cela a augmenté la possibilité de les faire fonctionner à des températures proches de la température ambiante pour des lignes électriques et d’autres utilisations parfaitement efficaces.
Les recherches ont rapidement confirmé qu’elles mettaient en évidence deux caractéristiques classiques supplémentaires de la transition vers un état supraconducteur. Le matériau a expulsé des champs magnétiques lorsque la supraconductivité s’est produite, permettant à un aimant placé sur un morceau du matériau de planer au-dessus de la surface. Et pendant la transition, leur capacité calorifique – la quantité de chaleur nécessaire pour élever leur température d’une certaine quantité – présentait une anomalie remarquable.
Mais malgré des décennies d’efforts avec une variété d’outils expérimentaux, la quatrième signature, qui ne peut être vue qu’à une échelle microscopique, est restée insaisissable : la façon dont les électrons s’apparient et se condensent en une sorte de soupe d’électrons lorsque le matériau passe de son état normal. à un état supraconducteur.
Maintenant, une équipe de recherche du Laboratoire national des accélérateurs SLAC du Département de l’énergie et de l’Université de Stanford a finalement révélé cette quatrième signature avec des mesures précises et à haute résolution effectuées avec la spectroscopie de photoémission à résolution angulaire, ou ARPES, qui utilise la lumière pour éjecter des électrons du matériau. La mesure de l’énergie et de la quantité de mouvement de ces électrons éjectés révèle le comportement des électrons à l’intérieur du matériau.
Comment savoir si un matériau est un supraconducteur ? Quatre signatures classiques sont illustrées ici. De gauche à droite : 1) Il conduit l’électricité sans résistance lorsqu’il est refroidi en dessous d’une certaine température. 2) Il expulse les champs magnétiques, de sorte qu’un aimant placé dessus va léviter. 3) Sa capacité calorifique – la quantité de chaleur nécessaire pour élever sa température d’une quantité donnée – présente une anomalie distinctive lorsque le matériau passe à un état supraconducteur. 4) Et à ce même point de transition, ses électrons s’apparient et se condensent en une sorte de soupe d’électrons qui permet au courant de circuler librement. Aujourd’hui, des expériences au SLAC et à Stanford ont capturé cette quatrième signature dans les cuprates, qui deviennent supraconducteurs à des températures relativement élevées, et ont montré qu’elle se produit en deux étapes distinctes et à des températures très différentes. Savoir comment cela se passe dans les moindres détails suggère une nouvelle direction très pratique pour la recherche sur ces matériaux énigmatiques. Crédit : Greg Stewart, SLAC National Accelerator Laboratory
Dans un article publié récemment dans Naturel’équipe a confirmé que le matériau cuprate qu’ils ont étudié, connu sous le nom de Bi2212, a effectué la transition vers un état supraconducteur en deux étapes distinctes et à des températures très différentes.
“Maintenant, nous savons ce qui se passe à la transition supraconductrice dans les moindres détails, et nous pouvons réfléchir à la manière d’y parvenir à des températures plus élevées”, a déclaré Sudi Chen, qui a dirigé l’étude alors qu’il était doctorant à Stanford. “C’est une direction très pratique.”
Le professeur de Stanford Zhi-Xun Shen, chercheur à l’Institut de Stanford pour les sciences des matériaux et de l’énergie (SIMES) au SLAC qui a supervisé la recherche, a déclaré : « C’est le point culminant de 15 ans de travail de détective scientifique pour essayer de comprendre la structure électronique de ces matériaux, et il fournit le chaînon manquant pour une image holistique de la supraconductivité non conventionnelle. Nous savions que ces matériaux devraient produire des signatures spectroscopiques distinctives lorsque les électrons appariés fusionnent en un condensat quantique ; ce qui est étonnant, c’est qu’il a fallu si longtemps pour le trouver. ”
Transitions non conventionnelles
Dans les supraconducteurs conventionnels, découverts en 1911, les électrons surmontent leur répulsion mutuelle et forment ce que l’on appelle des paires de Cooper, qui se condensent immédiatement en une sorte de soupe d’électrons qui permet au courant électrique de circuler sans entrave.
Mais dans les cuprates non conventionnels, les scientifiques ont émis l’hypothèse que les électrons s’apparient à une température mais ne se condensent pas tant qu’ils ne sont pas refroidis à une température nettement inférieure. ce n’est qu’à ce moment-là que le matériau devient supraconducteur.
Alors que les détails de cette transition avaient été explorés avec d’autres méthodes, jusqu’à présent, cela n’avait pas été confirmé avec des sondes microscopiques comme la spectroscopie de photoémission qui étudient comment la matière absorbe la lumière et émet des électrons. C’est une mesure indépendante importante du comportement des électrons dans le matériau.
Shen a commencé sa carrière scientifique à Stanford juste au moment où la découverte des nouveaux supraconducteurs cuprates était mise au jour, et il a consacré plus de trois décennies à percer leurs secrets et à améliorer la spectroscopie de photoémission comme outil pour y parvenir.
Pour cette étude, des échantillons de cuprate fabriqués par des collaborateurs au Japon ont été examinés dans deux installations ARPES – l’une dans le laboratoire de Shen à Stanford, équipée d’un laser ultraviolet, et l’autre à la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford (SSRL) du SLAC avec l’aide des scientifiques du personnel du SLAC et collaborateurs de longue date Makoto Hashimoto et Donghui Lu.
Le professeur de Stanford Zhi-Xun Shen (au centre) et les scientifiques du personnel du SLAC Makoto Hashimoto (à gauche) et Donghui Lu sont vus au début de 2020 sur une ligne de lumière de rayonnement synchrotron de Stanford au SLAC. Des expériences ici et à Stanford, dirigées par le doctorant de Stanford Sudi Chen (non représenté), ont révélé la quatrième signature longtemps recherchée de la transition supraconductrice – le point où des paires d’électrons commencent à conduire l’électricité sans perte – dans un matériau cuprate. Crédit : Jacqueline Ramseyer Orrell / Laboratoire national des accélérateurs du SLAC
Éplucher un oignon de physique
“Les récentes améliorations des performances globales de ces instruments ont été un facteur important dans l’obtention de ces résultats de haute qualité”, a déclaré Hashimoto. “Ils nous ont permis de mesurer l’énergie des électrons éjectés avec plus de précision, de stabilité et de cohérence.”
Lu a ajouté : « Il est très difficile de comprendre pleinement la physique de la supraconductivité à haute température. Les expérimentateurs utilisent différents outils pour sonder différents aspects de ce problème difficile, ce qui fournit des informations plus approfondies. »
Shen a déclaré que l’étude à long terme de ces matériaux non conventionnels a été comme éplucher des couches d’un oignon pour révéler la physique surprenante et intéressante à l’intérieur. Maintenant, a-t-il dit, confirmant que la transition vers la supraconductivité se produit en deux étapes distinctes “nous donne deux boutons que nous pouvons régler pour que les matériaux deviennent supraconducteurs à des températures plus élevées”.
Sudi Chen est maintenant stagiaire postdoctoral à l’Université de Californie à Berkeley. Des chercheurs du National Institute of Advanced Industrial Science and Technology au Japon, du Lorentz Institute for Theoretical Physics de l’Université de Leiden aux Pays-Bas et du Lawrence Berkeley National Laboratory du DOE ont également contribué à ce travail, qui a été financé par le DOE Office of Science. SSRL est une installation utilisateur du DOE Office of Science.
Référence : “Signature spectrale non conventionnelle de Tc dans un pur supraconducteur à onde d » par Su-Di Chen, Makoto Hashimoto, Yu He, Dongjoon Song, Jun-Feng He, Ying-Fei Li, Shigeyuki Ishida, Hiroshi Eisaki, Jan Zaanen, Thomas P. Devereaux, Dung-Hai Lee, Dong-Hui Lu et Zhi-Xun Shen, 26 janvier 2022, Nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-04251-2