Représentation artistique de la transition supraconductrice. Crédit : SLAC National Accelerator Laboratory
Les résultats couronnent 15 années 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 aux anges lorsqu’ils ont découvert une nouvelle classe de matériaux supraconducteurs.
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 certain degré – mais à des températures beaucoup plus élevées que ce que les scientifiques avaient prévu. Cela augmentait la possibilité de les faire fonctionner à des températures proches de la température ambiante pour des lignes électriques parfaitement efficaces et d’autres utilisations.
Les recherches ont rapidement confirmé qu’ils présentaient deux autres caractéristiques classiques de la transition vers un état supraconducteur. Le matériau expulse les champs magnétiques lorsque la supraconductivité se produit, permettant à un aimant placé sur un morceau du matériau de planer au-dessus de la surface. Et pendant la transition, leur capacité thermique – la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter leur température d’une certaine quantité – présentait une anomalie notable.
Mais malgré des décennies d’efforts avec une variété d’outils expérimentaux, la quatrième signature, qui ne peut être vue qu’à l’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.
Aujourd’hui, une équipe de chercheurs du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l’énergie et de l’université de Stanford a finalement révélé cette quatrième signature grâce à des mesures précises et à haute résolution effectuées par 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 au-dessus de lui lévite. 3) Sa capacité thermique – la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter sa température d’une quantité donnée – présente une anomalie distinctive lorsque le matériau passe à l’état supraconducteur. 4) Et à ce même point de transition, ses électrons s’associent et se condensent en une sorte de soupe d’électrons qui permet au courant de circuler librement. Des expériences menées 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. Le fait de savoir comment cela se produit dans les moindres détails suggère une nouvelle direction très pratique pour la recherche sur ces matériaux énigmatiques. Crédit : Greg Stewart, Laboratoire national de l’accélérateur SLAC
Dans un article publié récemment dans Naturel’équipe a confirmé que le matériau cuprate qu’elle a 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.
“Nous savons maintenant ce qui se passe lors de la transition supraconductrice de manière très détaillée, et nous pouvons réfléchir à la manière de faire en sorte que cela se produise 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”.
Zhi-Xun Shen, professeur à Stanford et chercheur au Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) au SLAC, qui a supervisé la recherche, a déclaré : “C’est le point culminant de 15 années de travail de détective scientifique pour essayer de comprendre la structure électronique de ces matériaux, et cela fournit le chaînon manquant pour une image holistique de la supraconductivité non conventionnelle. Nous savions que ces matériaux devaient produire des signatures spectroscopiques distinctives lorsque les électrons appariés s’unissent en un condensat quantique ; ce qui est étonnant, c’est qu’il ait fallu si longtemps pour le découvrir.”
Transitions non conventionnelles
Dans les supraconducteurs conventionnels, qui ont été 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 forment des paires à une certaine température mais ne se condensent pas avant d’être refroidis à une température plus élevée.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, elle n’avait pas été confirmée avec des sondes microscopiques comme la spectroscopie de photoémission qui étudie comment la matière absorbe la lumière et émet des électrons. Il s’agit d’une mesure indépendante importante du comportement des électrons dans la matière.
Shen a commencé sa carrière scientifique à Stanford juste au moment où la découverte des nouveaux supraconducteurs à cuprate a été mise en lumière, 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 Stanford de Shen, équipée d’un laser ultraviolet, et l’autre au Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) du SLAC avec l’aide de scientifiques du SLAC et de collaborateurs de longue date, Makoto Hashimoto et Donghui Lu.
Zhi-Xun Shen, professeur à Stanford (au centre), et Makoto Hashimoto (à gauche) et Donghui Lu, membres du personnel scientifique du SLAC, au début de 2020, sur une ligne de faisceaux de la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford au SLAC. Des expériences menées ici et à Stanford, sous la direction de Sudi Chen (non photographié), étudiant en doctorat à Stanford, ont révélé la quatrième signature, recherchée depuis longtemps, de la transition supraconductrice – le point où les paires d’électrons commencent à conduire l’électricité sans perte – dans un matériau cuprate. Crédit : Jacqueline Ramseyer Orrell/SLAC National Accelerator Laboratory
Eplucher un oignon de physique
“Les récentes améliorations des performances globales de ces instruments ont été un facteur important pour obtenir ces résultats de haute qualité”, a déclaré Hashimoto. “Elles 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 d’obtenir une compréhension complète de la physique de la supraconductivité à haute température. Les expérimentateurs utilisent différents outils pour sonder les différents aspects de ce problème difficile, et cela permet de mieux comprendre.”
Shen a déclaré que l’étude à long terme de ces matériaux non conventionnels a été comme l’épluchage des couches d’un oignon pour révéler la physique surprenante et intéressante qu’il contient. Maintenant, a-t-il dit, la confirmation 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 désormais chercheur 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 ces travaux, qui ont été financés par le DOE Office of Science. Le SSRL est un établissement utilisateur du DOE Office of Science.
Référence : “Signature spectrale non conventionnelle de Tc in a pure d-wave superconductor” 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
