Les champs de rupture de symétrie temporelle découverts impliquent la présence de “courants orbitaux” théorisés depuis longtemps, où la charge circule spontanément en boucles autour des cellules unitaires du réseau de Kagome. Crédit : Institut Paul Scherrer / Mahir Dzambegovic
Un nouvel aperçu de la supraconductivité non conventionnelle
Les signes d’une nouvelle phase électronique qui permet à la charge de circuler spontanément dans des boucles ont été observés dans un supraconducteur kagome. En utilisant une spectroscopie de spin muonique ultra-sensible, les chercheurs ont découvert des champs magnétiques brisant la symétrie temporelle à l’intérieur du matériau, indiquant l’existence de “courants orbitaux” recherchés depuis longtemps. La découverte, publiée aujourd’hui (9 février 2022) dans Naturepermet de mieux comprendre la supraconductivité à haute température et les phénomènes quantiques qui sous-tendent la recherche sur les dispositifs de nouvelle génération.
Le motif kagome, un réseau de triangles partageant les coins, est bien connu des vanniers japonais traditionnels – et des physiciens de la matière condensée. La géométrie inhabituelle des atomes métalliques dans le réseau kagome et le comportement des électrons qui en résulte en font un terrain de jeu pour sonder des phénomènes quantiques étranges et merveilleux qui constituent la base de la recherche sur les dispositifs de la prochaine génération.
Un exemple clé est la supraconductivité non conventionnelle – par exemple à haute température – qui ne suit pas les lois conventionnelles de la supraconductivité. La plupart des matériaux supraconducteurs présentent leur propriété apparemment magique de résistance nulle à quelques degrés Kelvin : des températures qui sont tout simplement impraticables pour la plupart des applications. Les matériaux qui présentent une supraconductivité dite “à haute température”, à des températures pouvant être atteintes par refroidissement à l’azote liquide (ou même à température ambiante), constituent une perspective alléchante. Trouver et synthétiser de nouveaux matériaux qui présentent une supraconductivité non conventionnelle est devenu le Saint Graal des physiciens de la matière condensée – mais pour y parvenir, il faut une compréhension plus approfondie du comportement électronique topologique exotique des matériaux.
Membres de l’équipe de recherche du Laboratoire de spectroscopie de spin muonique du PSI (de gauche à droite) : Hubertus Luetkens, Debarchan Das, Charles Mielke III, Rustem Khasanov et Zurab Guguchia. Crédit : Institut Paul Scherrer/ Markus Fischer
Un type exotique de comportement de transport d’électrons qui se traduit par un flux spontané de charges dans des boucles a longtemps été débattu comme précurseur de la supraconductivité à haute température et comme mécanisme à l’origine d’un autre phénomène mystérieux : l’effet Hall anomal quantique. Cet effet topologique, qui fait l’objet des travaux de F. Duncan M. Haldane, lauréat du prix Nobel 2016, se produit dans certains matériaux électroniques bidimensionnels et concerne la génération d’un courant même en l’absence d’un champ magnétique appliqué. La compréhension de l’effet Hall anomal quantique est importante non seulement pour la physique fondamentale, mais aussi pour les applications potentielles dans de nouveaux appareils et dispositifs électroniques. Aujourd’hui, une collaboration internationale dirigée par le PSI a découvert des preuves solides de ce comportement insaisissable de transport d’électrons.
Mise en ordre des charges par symétrie temporelle dans le supraconducteur Kagome KV3Sb5
L’équipe, dirigée par des chercheurs du Laboratory for Muon Spin Spectroscopy du PSI, a découvert de faibles champs magnétiques internes indiquant un ordre de charge exotique dans un supraconducteur kagome corrélé. Ces champs magnétiques brisent la symétrie dite d’inversion temporelle, un type de symétrie qui signifie que les lois de la physique sont les mêmes, que l’on regarde un système en avant ou en arrière dans le temps.
Une explication naturelle de l’apparition de champs brisant la symétrie temporelle est un nouveau type d’ordre de charge. L’ordre de charge peut être compris comme une modulation périodique de la densité électronique à travers le réseau et le réarrangement des atomes dans une structure d’ordre supérieur (super-réseau). L’équipe a concentré son étude sur le réseau de kagome, KV3Sb5qui est supraconducteur au-dessous de 2,5 Kelvin. En dessous d’une température critique plus élevée d’environ 80 Kelvin, un effet Hall anomal quantique géant est observé dans le matériau, ce qui était auparavant inexpliqué. L’ordre exotique des charges apparaît sous cette température critique d’environ 80 Kelvin, appelée “température d’ordre des charges”.
Les champs de rupture de la symétrie de renversement du temps découverts impliquent un type exotique d’ordre de charge où les courants se déplacent autour des cellules unitaires du réseau de Kagome, connus sous le nom de courants orbitaux. Ceux-ci produisent un magnétisme dominé par l’orbitale étendue.le mouvement des électrons dans un réseau d’atomes.
“La réalisation expérimentale de ce phénomène est un défi exceptionnel, car les matériaux présentant des courants orbitaux sont rares et les signaux caractéristiques…”. [of orbital currents] sont souvent trop faibles pour être détectés”, explique l’auteur correspondant, Zurab Guguchia, du Lab of Muon Spin Spectroscopy au PSI, qui a dirigé l’équipe.
Bien que des études antérieures aient montré la rupture de la symétrie de renversement du temps en dessous de la température de supraconduction, il s’agit du premier exemple dans lequel la symétrie de renversement du temps est rompue par l’ordre des charges. Cela signifie que cet ordre de charge exotique putatif est classé comme une nouvelle phase quantique de la matière.
Une preuve extrêmement convaincante
Pour rechercher les courants orbitaux longtemps contestés, les physiciens ont utilisé la spectroscopie de rotation/relaxation de spin des muons (µSR) très sensible pour détecter les signaux magnétiques faibles et révélateurs qu’ils généreraient. Les muons implantés dans l’échantillon servent de sonde magnétique locale et très sensible au champ interne du matériau, ce qui permet d’obtenir des champs magnétiques aussi petits que 0,001 µBohr d’être détectés. En présence d’un champ magnétique interne, le spin du muon se dépolarise. Les muons se désintègrent en positrons énergétiques, qui sont émis dans la direction du spin du muon, transportant avec eux des informations sur la polarisation du spin du muon dans l’environnement local.
Les chercheurs ont observé comment, lorsque la température est abaissée en dessous de 80K, la température d’ordre des charges, un décalage systématique du signal magnétique apparaît. En utilisant l’installation µSR la plus avancée au monde au PSI, qui permet l’application de champs allant jusqu’à 9,5 Tesla, l’équipe a pu utiliser un champ magnétique externe élevé pour renforcer le décalage des minuscules champs magnétiques internes et fournir des preuves encore plus fortes que le champ magnétique était dû à des courants orbitaux internes.
“Nous avons d’abord réalisé l’expérience sans champ externe”, explique le Dr Guguchia, “et lorsque nous avons vu le décalage systématique apparaître sous la température d’ordre des charges, nous nous sommes sentis très motivés pour continuer. Mais lorsque nous avons ensuite appliqué le champ élevé et que nous avons pu favoriser cette réponse électronique, nous avons été ravis. C’est une preuve très, très convaincante de quelque chose qui est resté insaisissable pendant longtemps.”
Une compréhension plus approfondie de la supraconductivité non conventionnelle et de l’effet Hall anomal quantique.
La recherche fournit sans doute la preuve la plus solide à ce jour de l’existence réelle de courants orbitaux dans le matériau Kagome KV, dont on a longtemps débattu.3Sb5. La théorie suggère que l’effet Hall anomal quantique provient de courants orbitaux. Par conséquent, les courants orbitaux ont été proposés dans un certain nombre de supraconducteurs non conventionnels qui présentent un effet Hall anomal quantique étrangement grand ; à savoir graphene, cuprates, and kagome lattices, but actual evidence that they existed had been missing until now.
The discovery of time-reversal symmetry-breaking fields, which imply orbital currents — and the peculiar charge ordering that gives rise to them, opens doors to exotic avenues of physics and next-generation device research. Orbital currents are considered to play a fundamental role in the mechanism of various unconventional transport phenomena including high-temperature superconductivity, with applications from power transmission to MAGLEV trains. The concept of orbital currents also forms the basis of orbitronics — an area that exploits the orbital degree of freedom as an information carrier in solid-state devices.
Reference: “Time-reversal symmetry-breaking charge order in a kagome superconductor” by C. Mielke III, D. Das, J.-X. Yin, H. Liu, R. Gupta, Y.-X. Jiang, M. Medarde, X. Wu, H. C. Lei, J. Chang, Pengcheng Dai, Q. Si, H. Miao, R. Thomale, T. Neupert, Y. Shi, R. Khasanov, M. Z. Hasan, H. Luetkens and Z. Guguchia, 9 February 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-021-04327-z
This work was carried out in collaboration with the group of Zahid Hasan at Princeton University, in which Guguchia is a visiting scientist, and with other colleagues from the University of Zürich Physics Institute, Institute of Physics Chinese Academy of Sciences, Songshan Lake Materials Laboratory in China, Renmin University of China, Rice University, Oak Ridge National Laboratory, University of Würzburg and Max-Planck-Institut für Festkörperforschung.
