Une illustration montre une attraction étonnamment forte entre les électrons des sites de réseau voisins au sein d’une chaîne 1D d’oxyde de cuivre, ou cuprate, un matériau qui conduit le courant électrique sans perte à des températures relativement élevées. Une étude menée par Stanford, SLAC et Clemson a découvert cette attraction inhabituellement forte du « plus proche voisin » dans une chaîne de cuprate 1D qui avait été « dopée » pour augmenter la densité de ses électrons libres. Ils ont déclaré que la force inattendue des attractions peut résulter d’interactions avec des vibrations naturelles dans le réseau atomique du matériau, qui peuvent jouer un rôle dans la supraconductivité des cuprates. Crédit : SCI-HUA
Les chaînes contrôlées chimiquement révèlent une attraction ultraforte entre les électrons qui peut aider les supraconducteurs cuprates à transporter le courant électrique sans perte à des températures relativement élevées.
Lorsque les scientifiques étudient des supraconducteurs non conventionnels – des matériaux complexes qui conduisent l’électricité sans perte à des températures relativement élevées – ils s’appuient souvent sur des modèles simplifiés pour comprendre ce qui se passe.
Les chercheurs savent que ces matériaux quantiques tirent leurs capacités des électrons qui unissent leurs forces pour former une sorte de soupe d’électrons. Mais modéliser ce processus dans toute sa complexité prendrait beaucoup plus de temps et de puissance de calcul que quiconque ne peut imaginer en avoir aujourd’hui. Ainsi, pour comprendre une classe clé de supraconducteurs non conventionnels – les oxydes de cuivre ou cuprates – les chercheurs ont créé, pour simplifier, un modèle théorique dans lequel le matériau existe dans une seule dimension, sous la forme d’une chaîne d’atomes. Ils ont fabriqué ces cuprates unidimensionnels en laboratoire et ont constaté que leur comportement correspondait assez bien à la théorie.
Malheureusement, il manquait une chose à ces chaînes atomiques 1D : elles ne pouvaient pas être dopées, un processus où certains atomes sont remplacés par d’autres pour modifier le nombre d’électrons libres de se déplacer. Le dopage est l’un des nombreux facteurs que les scientifiques peuvent ajuster pour modifier le comportement de matériaux comme ceux-ci, et c’est un élément essentiel pour les amener à la supraconductivité.
Une illustration de chaînes d’oxyde de cuivre 1D, ou cuprate, qui ont été « dopées » pour libérer certains de leurs électrons dans une étude menée par des chercheurs du SLAC National Accelerator Laboratory et des universités de Stanford et Clemson. Les atomes de cuivre sont noirs et les atomes d’oxygène violets. Les ressorts rouges représentent des vibrations naturelles qui secouent le réseau atomique, ce qui peut aider à produire une attraction étonnamment forte (non illustrée) entre les électrons voisins du réseau. Cette attraction du « plus proche voisin » peut jouer un rôle dans la supraconductivité non conventionnelle – la capacité de conduire le courant électrique sans perte à des températures relativement élevées. Crédit : Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Aujourd’hui, une étude menée par des scientifiques du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l’Énergie et des universités de Stanford et de Clemson a synthétisé le premier matériau cuprate 1D qui peut être dopé. Leur analyse du matériau dopé suggère que le modèle proposé le plus important de la façon dont les cuprates atteignent la supraconductivité manque un ingrédient clé : une attraction étonnamment forte entre les électrons voisins dans la structure atomique du matériau, ou réseau. Cette attraction, ont-ils dit, peut être le résultat d’interactions avec les vibrations naturelles du réseau.
L’équipe a récemment publié ses découvertes dans la revue Science.
“L’incapacité à doper de manière contrôlée les systèmes de cuprate unidimensionnels a été un obstacle important à la compréhension de ces matériaux pendant plus de deux décennies”, a déclaré Zhi-Xun Shen, professeur de Stanford et chercheur au Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) au SLAC.
« Maintenant que nous l’avons fait », a-t-il déclaré, « nos expériences montrent que notre modèle actuel manque un phénomène très important qui est présent dans le matériau réel. »
Zhuoyu Chen, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Shen qui a dirigé la partie expérimentale de l’étude, a déclaré que la recherche a été rendue possible par un système développé par l’équipe pour fabriquer des chaînes 1D intégrées dans un matériau 3D et les déplacer directement dans une chambre du synchrotron de Stanford du SLAC. Source lumineuse de rayonnement (SSRL) pour l’analyse avec un puissant faisceau de rayons X.
“C’est une configuration unique”, a-t-il déclaré, “et indispensable pour obtenir les données de haute qualité dont nous avions besoin pour voir ces effets très subtils.”
Des grilles aux chaînes, en théorie
Le modèle prédominant utilisé pour simuler ces matériaux complexes est connu sous le nom de modèle Hubbard. Dans sa version 2D, il repose sur une grille plane et régulièrement espacée des atomes les plus simples possibles.
Mais cette grille 2D de base est déjà trop compliquée à gérer pour les ordinateurs et les algorithmes d’aujourd’hui, a déclaré Thomas Devereaux, professeur au SLAC et à Stanford et chercheur au SIMES qui a supervisé la partie théorique de ce travail. Il n’y a aucun moyen bien accepté de s’assurer que les calculs du modèle pour les propriétés physiques du matériau sont corrects, donc s’ils ne correspondent pas aux résultats expérimentaux, il est impossible de dire si les calculs ou le modèle théorique se sont mal passés.
Les chercheurs du SLAC, de Stanford et de Clemson ont utilisé une technique appelée spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (ARPES), illustrée ici, pour éjecter des électrons des chaînes d’oxyde de cuivre 1D dopées et mesurer leur direction et leur énergie. Cela leur a donné une image détaillée et sensible du comportement des électrons dans le matériau. Le travail a été effectué sur une ligne de faisceau spécialement conçue à la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford du SLAC, SSRL. Crédit : Zhuoyu Chen/Université de Stanford
Pour résoudre ce problème, les scientifiques ont appliqué le modèle Hubbard à des chaînes 1D du réseau de cuprates le plus simple possible – une chaîne d’atomes de cuivre et d’oxygène. Cette version 1D du modèle peut calculer et capturer avec précision le comportement collectif des électrons dans des matériaux constitués de chaînes 1D non dopées. Mais jusqu’à présent, il n’y avait aucun moyen de tester le précision de ses prédictions pour les versions dopées des chaînes car personne n’a pu les faire en laboratoire, malgré plus de deux décennies d’essais.
“Notre principale réussite a été de synthétiser ces chaînes dopées”, a déclaré Chen. « Nous avons pu les doper sur une très large plage et obtenir des données systématiques pour cerner ce que nous observions. »
Une couche atomique à la fois
Pour fabriquer les chaînes 1D dopées, Chen et ses collègues ont pulvérisé un film d’un matériau cuprate connu sous le nom d’oxyde de cuivre et de baryum et de strontium (BSCO), de quelques couches atomiques d’épaisseur, sur une surface de support à l’intérieur d’une chambre scellée sur la ligne de lumière SSRL spécialement conçue. La forme des réseaux dans le film et sur la surface s’alignait de manière à créer des chaînes 1D de cuivre et d’oxygène incrustées dans le matériau BSCO 3D.
Ils ont dopé les chaînes en les exposant à l’ozone et à la chaleur, ce qui a ajouté des atomes d’oxygène à leurs réseaux atomiques, a déclaré Chen. Chaque oxygène atome a retiré un électron de la chaîne et ces électrons libérés deviennent plus mobiles. Lorsque des millions de ces électrons libres se réunissent, ils peuvent créer l’état collectif qui est à la base de la supraconductivité.
Ensuite, les chercheurs ont transporté leurs chaînes dans une autre partie de la ligne de lumière pour une analyse par spectroscopie de photoémission à résolution angulaire, ou ARPES. Cette technique a éjecté des électrons des chaînes et mesuré leur direction et leur énergie, donnant aux scientifiques une image détaillée et sensible du comportement des électrons dans le matériau.
Attractions étonnamment fortes
Leur analyse a montré que dans le matériau 1D dopé, l’attraction des électrons pour leurs homologues dans les sites de réseau voisins est 10 fois plus forte que ne le prédit le modèle Hubbard, a déclaré Yao Wang, professeur adjoint à l’Université de Clemson qui a travaillé sur le côté théorique de l’étude. .
L’équipe de recherche a suggéré que ce niveau élevé d’attraction du « plus proche voisin » pourrait provenir d’interactions avec les phonons – des vibrations naturelles qui secouent le réseau atomique. Les phonons sont connus pour jouer un rôle dans la supraconductivité conventionnelle, et il y a des indications qu’ils pourraient également être impliqués d’une manière différente dans la supraconductivité non conventionnelle qui se produit à des températures beaucoup plus chaudes dans des matériaux comme les cuprates, bien que cela n’ait pas été définitivement prouvé.
Les scientifiques ont déclaré qu’il était probable que cette forte attraction du plus proche voisin entre les électrons existe dans tous les cuprates et pourrait aider à comprendre la supraconductivité dans les versions 2D du modèle Hubbard et de ses proches, donnant aux scientifiques une image plus complète de ces matériaux déroutants.
Référence : « Attraction de voisinage anormalement forte dans des chaînes de cuprates 1D dopées » par Zhuoyu Chen, Yao Wang, Slavko N. Rebec, Tao Jia, Makoto Hashimoto, Donghui Lu, Brian Moritz, Robert G. Moore, Thomas P. Devereaux et Zhi -Xun Shen, 9 septembre 2021, Science.
DOI : 10.1126/science.abf5174
Des chercheurs du laboratoire national d’Oak Ridge du DOE ont contribué à ce travail, qui a été financé par le DOE Office of Science. SSRL est une installation utilisateur de l’Office of Science.
