La supraconductivité dans les cuprates : « De la dissipation maximale à la dissipation minimale » – Un nouveau modèle ?

Electrons in High Temperature Superconductor
Électrons dans le supraconducteur à haute température

« Vue d’artiste : la description d’électrons dans des supraconducteurs à haute température (particules rondes) présentant une dissipation maximale à l’état normal avant de passer à un état de dissipation minimale (zéro) à l’état supraconducteur. Crédit : Avec l’aimable autorisation d’Erik van Heumen (Amsterdam)

Des chercheurs de la Université de BristolL’École de physique d’ a utilisé certains des champs magnétiques continus les plus puissants d’Europe pour découvrir des preuves de porteurs de charge exotiques dans l’état métallique des supraconducteurs à haute température en oxyde de cuivre.

Leurs résultats ont été publiés cette semaine dans La nature. Dans une publication connexe dans SciPost Physics la semaine dernière, l’équipe a postulé que ce sont ces porteurs de charge exotiques qui forment les paires supraconductrices, en contraste marqué avec les attentes de la théorie conventionnelle.

Supraconductivité conventionnelle

Supraconductivité est un phénomène fascinant dans lequel, en dessous d’une température dite critique, un matériau perd toute sa résistance aux courants électriques. Dans certains matériaux, à basse température, tous les électrons sont intriqués dans un seul état quantique macroscopique, ce qui signifie qu’ils ne se comportent plus comme des particules individuelles mais comme un collectif – ce qui entraîne une supraconductivité. La théorie générale de ce comportement collectif des électrons est connue depuis longtemps, mais une famille de matériaux, les cuprate, refuse de se conformer au paradigme. Ils possèdent également les températures de transition supraconductrices à pression ambiante les plus élevées connues. On a longtemps pensé que pour ces matériaux, le mécanisme qui “colle” les électrons devait être spécial, mais récemment l’attention s’est déplacée et maintenant les physiciens étudient le non-états supraconducteurs des cuprates, dans l’espoir de trouver des indices sur l’origine de la supraconductivité à haute température et sa distinction avec les supraconducteurs normaux.

Supraconductivité à haute température

La plupart des supraconducteurs, lorsqu’ils sont chauffés au-delà de leur température critique, se transforment en métaux « ordinaires ». L’intrication quantique qui provoque le comportement collectif des électrons s’estompe et les électrons commencent à se comporter comme un « gaz » ordinaire de particules chargées.

Cependant, les cuprates sont spéciaux. Tout d’abord, comme mentionné ci-dessus, parce que leur température critique est considérablement plus élevée que celle des autres supraconducteurs. Deuxièmement, ils ont des propriétés mesurables très spéciales même dans leur « phase métallique ». En 2009, le physicien Nigel Hussey et ses collaborateurs ont observé expérimentalement que les électrons de ces matériaux forment un nouveau type de structure, différent de celui des métaux ordinaires, établissant ainsi un nouveau paradigme que les scientifiques appellent désormais le « métal étrange ». Plus précisément, la résistivité à basse température s’est avérée proportionnelle à la température, non pas à un point singulier du diagramme de phase température/dopage (comme prévu pour un métal proche d’un point critique quantique magnétique) mais sur une plage étendue de dopage. Cette criticité étendue est devenue une caractéristique déterminante de la phase « métal étrange » à partir de laquelle la supraconductivité émerge dans les cuprates.

Magnétorésistance dans un métal étrange

Dans le premier de ces nouveaux rapports, le boursier du prix doctoral EPSRC Jakes Ayres et le doctorant Maarten Berben (basé à HFML-FELIX à Nijmegen, aux Pays-Bas) ont étudié la magnétorésistance – le changement de résistivité dans un champ magnétique – et ont découvert quelque chose d’inattendu. Contrairement à la réponse des métaux habituels, la magnétorésistance s’est avérée suivre une réponse particulière dans laquelle le champ magnétique et la température apparaissent en quadrature. Un tel comportement n’avait été observé auparavant qu’à un point critique quantique singulier, mais ici, comme pour la résistivité à champ nul, la forme en quadrature de la magnétorésistance a été observée sur une plage étendue de dopage. De plus, la force de la magnétorésistance s’est avérée être deux ordres de grandeur plus grande que celle attendue du mouvement orbital conventionnel et insensible au niveau de désordre dans le matériau ainsi qu’à la direction du champ magnétique par rapport au courant électrique. Ces caractéristiques des données, associées à la mise à l’échelle en quadrature, impliquaient que l’origine de cette magnétorésistance inhabituelle n’était pas le mouvement orbital cohérent des porteurs métalliques conventionnels, mais plutôt un mouvement non orbital et incohérent d’un type différent de porteur dont l’énergie était en train d’être dissipée au taux maximal autorisé par la mécanique quantique.

De la dissipation maximale à la dissipation minimale

Le professeur Hussey a déclaré : « Compte tenu des mesures antérieures de l’effet Hall, nous avions des preuves convaincantes de deux types de porteurs distincts dans les cuprates – l’un conventionnel, l’autre « étrange ». La question clé était alors de savoir quel type était responsable de la supraconductivité à haute température ? Notre équipe dirigée par Matija Čulo et Caitlin Duffy a ensuite comparé l’évolution de la densité des porteurs conventionnels à l’état normal et la densité des paires à l’état supraconducteur et est parvenue à une conclusion fascinante ; que l’état supraconducteur dans les cuprates est en fait composé de ces porteurs exotiques qui subissent une telle dissipation maximale à l’état métallique. C’est loin de la théorie originale de la supraconductivité et suggère qu’un paradigme entièrement nouveau est nécessaire, un dans lequel l’étrange métal occupe le devant de la scène. »

Référence : « Transport incohérent à travers le régime étrange-métal des cuprates surdopés » par J. Ayres, M. Berben, M. Čulo, Y.-T. Hsu, E. van Heumen, Y. Huang, J. Zaanen, T. Kondo, T. Takeuchi, JR Cooper, C. Putzke, S. Friedemann, A. Carrington et NE Hussey, 28 juillet 2021, La nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-03622-z

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