SCIENCES EBERGES ENVIRONNEMENT /SUPRACONDUCTIVITE

 

First direct visualization of a zero-field pair density wave

Première visualisation directe d'une onde de densité de paires à champ nul

par le laboratoire national de Brookhaven

Dans cette illustration du matériau supraconducteur Eu-1144, l'onde bleue et magenta montrée au-dessus du réseau cristallin représente la façon dont le niveau d'énergie des paires d'électrons (sphères jaunes) module spatialement lorsque ces électrons se déplacent à travers le cristal.

Dans le domaine de la supraconductivité - le phénomène dans lequel les électrons peuvent circuler à travers un matériau avec une résistance essentiellement nulle - le "Saint Graal" de la découverte est un supraconducteur qui peut fonctionner sous des températures et des pressions quotidiennes. Un tel matériau pourrait révolutionner la vie moderne. Mais actuellement, même les supraconducteurs "à haute température" (haute Tc) qui ont été découverts doivent être maintenus très froids pour fonctionner - trop froids pour la plupart des applications.

Les scientifiques ont encore beaucoup à apprendre avant de pouvoir réaliser la supraconductivité à température ambiante, en grande partie parce que les supraconducteurs sont des matériaux très complexes avec des états magnétiques et électroniques entrelacés et parfois concurrents. Ces différents états, ou phases, peuvent être très difficiles à démêler et à interpréter.

L'un de ces états est un état supraconducteur alternatif de la matière connu sous le nom d'onde de densité de paires (PDW), qui se caractérise par des paires couplées d'électrons qui sont constamment en mouvement. On pensait que les PDW n'apparaissaient que lorsqu'un supraconducteur était placé dans un grand champ magnétique, jusqu'à présent.

Récemment, des chercheurs du Laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l'énergie, de l'Université de Columbia et de l'Institut national des sciences et technologies industrielles avancées du Japon ont observé directement un PDW dans un matériau supraconducteur à base de fer sans champ magnétique présent. Ils décrivent leurs résultats dans l'édition en ligne du 28 juin 2023 de la revue Nature.

"Les chercheurs dans notre domaine ont émis l'hypothèse qu'un PDW pourrait exister par lui-même, mais les preuves ont été au mieux ambiguës", a déclaré Kazuhiro Fujita, un physicien de Brookhaven qui a participé à l'étude. "Ce supraconducteur à base de fer est le premier matériau dans lequel les preuves indiquent clairement un PDW à champ magnétique nul. C'est un résultat passionnant qui ouvre de nouvelles voies potentielles de recherche et de découverte pour la supraconductivité."

Le matériau, le pnictide de fer EuRbFe4As4 (Eu-1144), qui a une structure cristalline en couches, est également assez remarquable car il présente naturellement à la fois la supraconductivité et le ferromagnétisme. Cette double identité inhabituelle est ce qui a d'abord attiré le groupe vers le matériau et l'a amené à l'étudier.

"Nous voulions voir, ce magnétisme est-il lié à la supraconductivité ? En général, les supraconducteurs sont déstabilisés par ordre magnétique, donc quand la supraconductivité et le magnétisme coexistent dans un même composé, il est intéressant de voir comment les deux coexistent", a déclaré le physicien Abhay Pasupathy, l'un des co-auteurs de l'article, qui est affilié à la fois à Brookhaven et à Columbia.

"Il est concevable que les deux phénomènes existent dans différentes parties du complexe et n'aient rien à voir l'un avec l'autre. Mais, au lieu de cela, nous avons constaté qu'il existe une belle connexion entre les deux."

La supraconductivité spatialement modulée a été détectée dès l'apparition du magnétisme.

Pasupathy et ses collègues ont étudié l'Eu-1144 au laboratoire de vibrations ultra-faibles de Brookhaven à l'aide d'un microscope à effet tunnel à balayage d'imagerie spectroscopique (SI-STM) à la pointe de la technologie.

"Ce microscope mesure le nombre d'électrons à un emplacement spécifique dans le" tunnel "du matériau entre la surface de l'échantillon et la pointe du SI-STM lorsque la tension entre la pointe et la surface varie", a déclaré Fujita. "Ces mesures nous permettent de créer une carte du réseau cristallin de l'échantillon et du nombre d'électrons à différentes énergies à chaque emplacement atomique.

Ils ont effectué des mesures sur leur échantillon au fur et à mesure que sa température augmentait, en passant par deux points critiques : la température de magnétisme, en dessous de laquelle le matériau présente du ferromagnétisme, et la température supraconductrice, en dessous de laquelle le matériau est capable de transporter du courant avec une résistance nulle.

En dessous de la température supraconductrice critique de l'échantillon, les mesures ont révélé un trou dans le spectre des énergies des électrons. Cet écart est un marqueur important car sa taille équivaut à l'énergie qu'il faut pour briser les paires d'électrons qui transportent le courant supraconducteur. Les modulations dans le gap révèlent des variations dans les énergies de liaison des électrons, qui oscillent entre un minimum et un maximum. Ces modulations d'écart d'énergie sont une signature directe d'un PDW.

Cette découverte oriente les chercheurs vers de nouvelles directions, comme essayer de reproduire ce phénomène dans d'autres matériaux. Il existe également d'autres aspects d'un PDW qui peuvent être étudiés, comme essayer de détecter indirectement le mouvement des paires d'électrons via des signatures qui apparaissent dans d'autres propriétés du matériau.

"Beaucoup de nos collaborateurs ont montré un grand intérêt pour nos travaux et prévoient déjà différents types d'expériences sur ce matériau, comme l'utilisation de rayons X et de muons", a déclaré Pasupathy.

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COMMENTAIRES 

 L 'interet de cet article est double ;d une part singulariser la supraconductivuté  de certains  habitus crustallins  ,d aiutre part montrer à quel point la recherche d une supra conductivite electrique à tepérature ambiante  est d un interet stratégique mondial pour  toutes sortes d applications industrielles etscientifiques  ......notamment des réseaux électriques ultra-efficaces, des puces informatiques ultra-rapides et économes en énergie et des aimants ultra-puissants pouvant être utilisés pour faire léviter des trains et contrôler des réacteurs à fusion ...etc 

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More information: He Zhao et al, Smectic pair-density-wave order in EuRbFe4As4, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06103-7

Journal information: Nature 

Provided by Brookhaven National Laboratory 

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