La nouvelle méthode d’un chercheur de l’Université de Clemson, rendue possible par le superordinateur Frontera, aide à expliquer le rôle des phonons dans la supraconductivité du cuivre.
Les chercheurs connaissent les matériaux supraconducteurs à base de cuivre à haute température, ou cuprates, depuis les années 1980. En dessous d’une certaine température (environ -130 degrés Celsius), la résistance électrique disparaît de ces matériaux et les champs de flux magnétique sont expulsés. Cependant, la base de cette supraconductivité continue d’être débattue et explorée.
“Il a été largement accepté que les supraconducteurs traditionnels résultent de l’interaction des électrons avec les phonons, où les phonons associent deux électrons en tant qu’entité et ces derniers peuvent se déplacer dans un matériau sans résistance”, a déclaré Yao Wang, professeur adjoint de physique et d’astronomie à l’Université Clemson.
Cependant, dans les cuprates, de fortes répulsions connues sous le nom de force de Coulomb ont été constatées entre les électrons et ont été considérées comme la cause de cette supraconductivité spéciale et à haute température.
Les phonons sont l’énergie vibratoire qui provient de l’oscillation des atomes dans un cristal. Le comportement et la dynamique des phonons sont très différents de ceux des électrons, et assembler ces deux pièces du puzzle en interaction a été un défi.
Une représentation conceptuelle du rôle des phonons dans la supraconductivité des cuprates. Crédit : Yao Wang, Université de Clemson.
En novembre 2021, écrivant dans le journal Physical Review Letters, Wang, ainsi que des chercheurs de l’Université de Stanford, ont présenté des preuves convaincantes que les phonons contribuent en fait à une caractéristique clé observée dans les cuprates, ce qui pourrait indiquer leur contribution indispensable à la supraconductivité.
L’étude a pris en compte de manière innovante les forces des électrons et des phonons. Ils ont montré que les phonons n’ont pas seulement un impact sur les électrons dans leur voisinage immédiat, mais qu’ils agissent sur des électrons situés à plusieurs voisins.
Yao Wang, professeur adjoint de physique et d’astronomie, Université de Clemson.
“Une découverte importante dans ce travail est que le couplage électron-phonon génère des interactions attractives non-locales entre les électrons voisins dans l’espace”, a déclaré Wang. Lorsqu’ils ont utilisé uniquement le couplage local, ils ont calculé une force attractive d’un ordre de grandeur inférieur aux résultats expérimentaux. “Cela nous indique que la partie à plus longue portée est dominante et s’étend jusqu’à quatre cellules unitaires”, ou électrons voisins.
Wang, qui a dirigé le volet informatique du projet, a utilisé le superordinateur Frontera, financé par la National Science Foundation (NSF), au Texas Advanced Computing Center (TACC) – le système universitaire le plus rapide au monde – pour reproduire en simulation les expériences réalisées au Stanford Synchrotron Radiation Lightsource et présentées dans le rapport de la Commission européenne. Science en septembre 2021.
Les résultats reposent non seulement sur les capacités de calcul parallèle ultra-rapides de Frontera, mais aussi sur une nouvelle méthode mathématique et algorithmique qui permet une précision bien plus grande qu’auparavant.
La méthode, appelée méthode variationnelle diagonalisation exacte non gaussiennepeut effectuer des multiplications de matrices sur des milliards d’éléments. “Il s’agit d’une méthode hybride”, explique Wang. “Elle traite l’électron et le phonon par deux approches différentes qui peuvent s’ajuster l’une à l’autre. Cette méthode est performante et peut décrire un couplage fort avec une grande précision.” Le développement de la méthode a également été soutenu par une subvention de la NSF.
La démonstration de l’attraction médiée par les phonons a un impact important, même au-delà de la portée des supraconducteurs. “En pratique, les résultats signifient que nous avons trouvé un moyen de manipuler les interactions de Coulomb”, a déclaré Wang, faisant référence à l’attraction ou à la répulsion de particules ou d’objets en raison de leur charge électrique.
Structure cristallographique d’un cuprate d’oxyde d’yttrium baryum cuivre, qui est un supraconducteur à haute température. Crédit : Julien Bobroff, LPS, Orsay, France
“Si la supraconductivité provient uniquement des forces de Coulomb, nous ne pouvons pas facilement manipuler ce paramètre”, a-t-il déclaré. “Mais si une partie de la raison vient du phonon, alors nous pouvons faire quelque chose, par exemple, mettre l’échantillon sur un substrat qui changera l’interaction électron-phonon. Cela nous donne une direction pour concevoir un meilleur supraconducteur.”
“Cette recherche donne un nouvel éclairage sur le mystère de la supraconductivité des cuprates, qui pourrait conduire à des matériaux supraconducteurs à plus haute température et à la mise au point de nouvelles technologies.dispositifs”, a déclaré Daryl Hess, directeur de programme à la Division of Materials Research de la NSF. “Ils pourraient trouver leur place dans les futurs téléphones portables et ordinateurs quantiques. Un voyage commencé par la créativité humaine, des algorithmes intelligents et Frontera.”
Wang et son collaborateur Cheng-Chien Chen, de l’Université d’Alabama, à Birmingham, ont également appliqué cette nouvelle approche et les puissants superordinateurs du TACC pour étudier la supraconductivité induite par laser. Ils ont rapporté ces résultats dans Physical Review X en novembre 2021. En collaboration avec une équipe de Harvard, Wang a utilisé les superordinateurs du TACC pour étudier la formation des cristaux de Wigner dans des travaux publiés dans .Nature en juin 2021.
Comme c’est le cas dans de nombreux domaines scientifiques, les superordinateurs sont le seul outil capable de sonder le comportement quantique et d’expliquer les phénomènes sous-jacents en jeu.
” En physique, nous disposons de très beaux cadres pour décrire un électron ou un atome, mais lorsque nous parlons de matériaux réels avec 10… “.23 atomes, nous ne savons pas comment utiliser ces beaux cadres”, a déclaré Wang.
Pour les matériaux quantiques ou corrélés en particulier, les physiciens ont eu du mal à appliquer la ” belle ” théorie. “Nous utilisons donc plutôt la théorie laide – la simulation numérique des matériaux. Bien que nous ne disposions pas pour l’instant d’un ordinateur quantique bien établi, en utilisant des ordinateurs classiques à haute performance, nous pouvons faire beaucoup avancer le problème. En fin de compte, cela guidera l’expérience.”
Wang travaille actuellement avec IBM et IonQ pour développer des algorithmes quantiques à tester sur les ordinateurs quantiques actuels et futurs. “Le supercalculateur est notre première étape”.
En ce qui concerne les grands développements futurs de la technologie, Wang pense que les études informatiques, en conjonction avec l’expérience, l’observation et la théorie, aideront à démêler les mystères et à atteindre des objectifs pratiques, comme les matériaux supraconducteurs accordables.
“Un nouvel algorithme peut faire la différence. Une plus grande précision numérique peut faire la différence”, a-t-il déclaré. “Parfois, nous ne comprenons pas la nature d’un phénomène parce que nous n’avons pas examiné les détails d’assez près. Ce n’est qu’en poussant la simulation et en zoomant jusqu’au nième chiffre qu’un aspect important de la nature apparaît.”
