Onde de densité Cooper-Pair : L’état insaisissable de la matière supraconductrice détecté pour la première fois

Une équipe internationale de chercheurs, dirigée par le professeur Séamus Davis de l’Université Cornell et du Brookhaven National Laboratory, et le Dr Andrew Mackenzie de l’Institut Max-Planck de Dresde, en Allemagne, a apporté la première preuve directe d’une “onde de densité de paires de Cooper”, un état de la matière électronique prédit pour la première fois par les théoriciens en 1964.

Image schématique représentant une variation périodique de la densité des paires de Cooper (paires de flèches bleues pointant dans des directions opposées) dans un cuprate supraconducteur. Crédit image : Brookhaven National Laboratory.

Image schématique représentant une variation périodique de la densité des paires de Cooper (paires de flèches bleues pointant dans des directions opposées) au sein d’un supraconducteur cuprate. Crédit image : Brookhaven National Laboratory.

La prédiction était que les “paires de Cooper” d’électrons dans un supraconducteur pouvaient exister dans deux états possibles.

Elles pourraient former un superfluide où toutes les particules sont dans le même état quantique et se déplacent toutes comme une seule entité, transportant le courant avec une résistance nulle – ce que les scientifiques appellent habituellement un supraconducteur. Ou bien les paires de Cooper pourraient varier périodiquement en densité dans l’espace – une onde de densité de paires de Cooper.

Pendant plus de cinq décennies, ce nouvel état est resté insaisissable, probablement parce qu’il n’existait aucun instrument capable de l’observer.

Davis, Mackenzie et leurs collègues ont développé une nouvelle façon d’utiliser un microscope à effet tunnel (STM) pour observer directement les paires de Cooper.

La supraconductivité a été découverte pour la première fois dans des métaux refroidis presque au zéro absolu (moins 459,67 degrés Fahrenheit, ou moins 273,15 degrés Celsius).

Des matériaux récemment développés, appelés cuprates, sont supraconducteurs à des températures allant jusqu’à 148 degrés au-dessus du zéro absolu (moins 193 degrés Fahrenheit, ou moins 125 degrés Celsius).

Dans les supraconducteurs, les électrons se regroupent en paires magnétiquement neutres, de sorte qu’ils n’interagissent pas avec les atomes et peuvent se déplacer sans résistance.

Les scientifiques ont étudié un cuprate incorporant du bismuth, du strontium et du calcium (Bi2Sr2CaCu2O8) en utilisant un STM incroyablement sensible qui balaie une surface avec une résolution inférieure au nanomètre, sur un échantillon réfrigéré à quelques millièmes de degré au-dessus du zéro absolu.

À ces températures, les paires de Cooper peuvent sauter sur de courtes distances d’un supraconducteur à un autre, un phénomène connu sous le nom de tunnel Josephson.

Pour observer les paires de Cooper, l’équipe a brièvement abaissé la pointe de la sonde pour toucher la surface et ramasser une paillette du matériau cuprate.

” Les paires de Cooper pouvaient alors passer par effet tunnel entre la surface supraconductrice et la pointe supraconductrice “. L’instrument est devenu le premier microscope à effet tunnel Josephson à balayage au monde”, a déclaré le professeur Davis.

Le flux de courant constitué de paires de Cooper entre l’échantillon et la pointe révèle la densité de paires de Cooper en tout point, et il a montré des variations périodiques à travers l’échantillon, avec une longueur d’onde de quatre cellules unitaires de cristal.

La découverte, décrite dans un article publié aujourd’hui dans le journal Nature (préimpression arXiv.org), pourrait fournir des informations essentielles sur le fonctionnement des supraconducteurs à haute température.

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