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L’ancien postdoctorant du MIT Jonathan Pelliciari, maintenant physicien adjoint au Laboratoire national de Brookhaven, s’accroche à une partie de l’instrument de diffusion des rayons X inélastique par résonance (RIXS) au BNL. Pelliciari est l’auteur principal d’une étude qui a utilisé RIXS pour découvrir les secrets du supraconducteur le plus fin au monde. Crédit : photo avec l’aimable autorisation du Laboratoire national de Brookhaven
Les premières preuves expérimentales d’excitations de spin dans un matériau atomiquement mince aident à répondre à des questions vieilles de 30 ans, pourraient conduire à de meilleurs diagnostics médicaux et plus encore.
Des physiciens de trois continents rapportent la première preuve expérimentale pour expliquer le comportement électronique inhabituel derrière le supraconducteur le plus mince du monde, un matériau aux multiples applications car il conduit l’électricité de manière extrêmement efficace. Dans ce cas, le supraconducteur n’a qu’une couche atomique d’épaisseur.
Les travaux, dirigés par un AVEC professeur et physicien au Laboratoire national de Brookhaven, a été possible grâce à une nouvelle instrumentation disponible dans seulement quelques installations dans le monde. Les données obtenues pourraient aider à orienter le développement de meilleurs supraconducteurs. Celles-ci pourraient à leur tour transformer les domaines du diagnostic médical, l’informatique quantique, et le transport de l’énergie, qui utilisent tous des supraconducteurs.
Le sujet du travail appartient à une classe passionnante de supraconducteurs qui deviennent supraconducteurs à des températures d’un ordre de grandeur plus élevées que leurs homologues conventionnels, ce qui les rend plus faciles à utiliser dans les applications. Les supraconducteurs conventionnels ne fonctionnent qu’à des températures d’environ 10 kelvins, ou -442 degrés Fahrenheit.
Cependant, ces supraconducteurs dits à haute température ne sont pas encore entièrement compris. «Leurs excitations et dynamiques microscopiques sont essentielles pour comprendre la supraconductivité, mais après 30 ans de recherche, de nombreuses questions restent encore ouvertes», déclare Riccardo Comin, professeur adjoint de physique en développement de carrière de la promotion 1947 au MIT. Le nouveau travail, qui a été signalé récemment dans Communication Nature, aide à répondre à ces questions.
Des membres de l’équipe de Diamond Light Source (Royaume-Uni), qui abrite l’instrument de diffusion des rayons X inélastique par résonance (RIXS) utilisé pour découvrir les secrets du supraconducteur le plus fin au monde. De gauche à droite : Jaewon Choi, Abhishek Nag, Mirian Garcia Fernandez, Charles Tam, Thomas Rice, Ke-Jin Zhou et Stefano Agrestini.
Crédit : photo reproduite avec l’aimable autorisation de Diamond Light Source
Les collègues de Comin sur le travail incluent Jonathan Pelliciari, un ancien postdoctorant du MIT qui est maintenant physicien adjoint au Brookhaven National Laboratory et auteur principal de cette étude. Les autres auteurs sont Seher Karakuzu et Thomas A. Maier du Laboratoire national d’Oak Ridge ; Qi Song, Tianlun Yu, Xiaoyang Chen, Rui Peng, Qisi Wang, Jun Zhao et Donglai Feng de l’Université de Fudan ; Riccardo Arpaia, Matteo Rossi et Giacomo Ghiringhelli du Politecnico di Milano (Arpaia est également affilié à Université de technologie Chalmers); Abhishek Nag, Jiemin Li, Mirian García-Fernández, Andrew C. Walters et Ke-Jin Zhou de Source de lumière diamant au Royaume-Uni ; et Steven Johnston de l’Université du Tennessee à Knoxville.
Le supraconducteur le plus fin du monde
En 2015, les scientifiques ont découvert un nouveau type de supraconducteur à haute température : une feuille de séléniure de fer d’une seule couche atomique d’épaisseur capable de supraconducteur à 65 K. En revanche, des échantillons en vrac du même matériau supraconducteur à une température beaucoup plus basse (8 K). La découverte « a déclenché une vague d’enquêtes pour décoder les secrets du supraconducteur le plus mince du monde », explique Comin, qui est également affilié au Materials Research Laboratory du MIT.
Dans un métal ordinaire, les électrons se comportent un peu comme des individus qui dansent dans une pièce. Dans un métal supraconducteur, les électrons se déplacent par paires, comme des couples dansant. “Et toutes ces paires bougent à l’unisson, comme si elles faisaient partie d’une chorégraphie quantique, conduisant finalement à une sorte de superfluide électronique”, explique Comin.
Mais quelle est l’interaction, ou la « colle », qui maintient ensemble ces paires d’électrons ? Les scientifiques savent depuis longtemps que dans les supraconducteurs conventionnels, cette colle est dérivée du mouvement des atomes dans un matériau. “Si vous regardez un solide assis sur une table, il ne semble rien faire”, dit Comin. Cependant, « il se passe beaucoup de choses à l’échelle nanométrique. À l’intérieur de ce matériau, les électrons volent dans toutes les directions possibles et les atomes vibrent ; ils vibrent. Dans les supraconducteurs conventionnels, les électrons utilisent l’énergie stockée dans ce mouvement atomique pour s’apparier.
Une partie de l’instrument de diffusion des rayons X inélastique par résonance (RIXS) de Diamond Light Source (Royaume-Uni) qui a été utilisé pour découvrir les secrets du supraconducteur le plus fin au monde. Crédit : photo reproduite avec l’aimable autorisation de Diamond Light Source
La colle derrière l’appariement des électrons dans les supraconducteurs à haute température est différente. Les scientifiques ont émis l’hypothèse que cette colle est liée à une propriété des électrons appelée spin (une autre propriété plus familière des électrons est leur charge). Le spin peut être considéré comme un aimant élémentaire, dit Pelliciari. L’idée est que dans un supraconducteur à haute température, les électrons peuvent capter une partie de l’énergie de ces spins, appelés excitations de spin. Et cette énergie est la colle qu’ils utilisent pour s’associer.
Jusqu’à présent, la plupart des physiciens pensaient qu’il serait impossible de détecter ou de mesurer des excitations de spin dans un matériau d’une épaisseur de seulement une couche atomique. C’est l’aboutissement remarquable des travaux rapportés dans Communication Nature. Non seulement les physiciens ont détecté des excitations de spin, mais, entre autres choses, ils ont également montré que la dynamique de spin dans l’échantillon ultra-mince était radicalement différente de celle de l’échantillon global. Plus précisément, l’énergie des spins fluctuants dans l’échantillon ultra-mince était beaucoup plus élevée – d’un facteur de quatre ou cinq – que l’énergie des spins dans l’échantillon en vrac.
“C’est la première preuve expérimentale de la présence d’excitations de spin dans un matériau atomiquement mince”, explique Pelliciari.
Équipement de pointe
Historiquement, la diffusion de neutrons a été utilisée pour étudier le magnétisme. Le spin étant la propriété fondamentale du magnétisme, la diffusion des neutrons semble être une bonne sonde expérimentale. « Le problème est que la diffusion des neutrons ne fonctionne pas sur un matériau qui n’a qu’une couche atomique d’épaisseur », explique Pelliciari.
Entrez dans la diffusion des rayons X inélastique par résonance (RIXS), une nouvelle technique expérimentale que Pelliciari a aidé à mettre au point.
Lui et Comin ont discuté du potentiel d’utilisation de RIXS pour étudier la dynamique de spin du nouveau supraconducteur ultra-mince, mais Comin était initialement sceptique. « Je me suis dit : « Oui, ce serait formidable si nous pouvions faire cela, mais expérimentalement, ce sera presque impossible » », se souvient Comin. “Je pensais que c’était un vrai coup de lune.” Du coup, « quand Johnny a collecté les tout premiers résultats, ça m’a époustouflé. J’avais gardé mes attentes basses, alors quand j’ai vu les données, j’ai sauté sur ma chaise.
Seules quelques installations dans le monde disposent d’instruments RIXS avancés. L’un, situé à Diamond Light Source (Royaume-Uni) et dirigé par Zhou, est l’endroit où l’équipe a mené son expérience. Un autre, qui était encore en construction au moment de l’expérience, se trouve au Brookhaven National Laboratory. Pelliciari fait maintenant partie de l’équipe qui gère l’installation RIXS, connue sous le nom de Beamline SIX, à la National Synchrotron Light Source II située au Brookhaven Lab.
«L’impact de ce travail est double», explique Thorsten Schmitt, responsable du groupe Spectroscopie des nouveaux matériaux à l’Institut Paul Scherrer en Suisse, qui n’était pas impliqué dans le travail. « Du côté expérimental, c’est une démonstration impressionnante de la sensibilité du RIXS aux excitations de spin dans un matériau supraconducteur d’une épaisseur de couche atomique seulement. De plus, le [resulting data] devraient contribuer à la compréhension de l’amélioration de la température de transition supraconductrice dans de tels supraconducteurs minces. En d’autres termes, les travaux pourraient conduire à des supraconducteurs encore meilleurs.
Valentina Bisogni, scientifique principale de la Beamline SIX qui n’a pas participé à cette étude, déclare : « la compréhension de la supraconductivité non conventionnelle est l’un des principaux défis auxquels sont confrontés les scientifiques aujourd’hui. La découverte récente de la supraconductivité à haute température dans un film mince monocouche de séléniure de fer a renouvelé l’intérêt pour le système de séléniure de fer, car il offre une nouvelle voie pour étudier les mécanismes permettant la supraconductivité à haute température.
« Dans ce contexte, les travaux de Pelliciari et al. présente une étude comparative éclairante du séléniure de fer en vrac et du séléniure de fer monocouche mince révélant une reconfiguration spectaculaire des excitations de spin », dit Bisogni.
Référence : « Evolution of spin excitations from bulk to monolayer FeSe » par Jonathan Pelliciari, Seher Karakuzu, Qi Song, Riccardo Arpaia, Abhishek Nag, Matteo Rossi, Jiemin Li, Tianlun Yu, Xiaoyang Chen, Rui Peng, Mirian García-Fernández, Andrew C. Walters, Qisi Wang, Jun Zhao, Giacomo Ghiringhelli, Donglai Feng, Thomas A. Maier, Ke-Jin Zhou, Steven Johnston et Riccardo Comin, 25 mai 2021, Communication Nature.
DOI : 10.1038/s41467-021-23317-3
Cette recherche a été soutenue par l’US Air Force Office of Scientific Research, le programme MIT-POLIMI (Progetto Rocca), le Fonds national suisse de la recherche scientifique, le US Department of Energy (DOE), l’US Office of Naval Research, la Fondazione CARIPLO et Regione Lombardia, le Conseil suédois de la recherche, la Fondation Alfred P. Sloan et la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine.
Cette recherche a utilisé les ressources de la National Synchrotron Light Source II, une installation utilisateur du DOE Office of Science située au Brookhaven Lab du DOE.
