Image microscopique de l'un des échantillons d'oxyde de bismuth strontium calcium cuivre que les scientifiques ont étudié à l'aide d'une nouvelle technique d'imagerie à grande vitesse. Les changements de couleur montrent des changements dans la hauteur et la courbure de l'échantillon pour révéler de façon spectaculaire la structure en couches et la planéité du matériau. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Les scientifiques qui étudient les supraconducteurs à haute température - des matériaux qui transportent du courant électrique sans perte d'énergie lorsqu'ils sont refroidis en dessous d'une certaine température - ont cherché des moyens d'étudier en détail les interactions électroniques qui seraient à l'origine de cette propriété prometteuse. L'un des grands défis consiste à démêler les nombreux types d'interactions différents, par exemple, séparer les effets des électrons interagissant entre eux de ceux provoqués par leurs interactions avec les atomes du matériau.
Aujourd'hui, un groupe de scientifiques, dont des physiciens du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie, a démontré une nouvelle technique d'"arrêt d'action" à laser pour étudier les interactions électroniques complexes dans des conditions dynamiques. Comme décrit dans un article qui vient d'être publié dans Communication Nature , ils en utilisent un très vite, laser "pompe" intense pour donner aux électrons une explosion d'énergie, et un deuxième laser « sonde » pour mesurer le niveau d'énergie des électrons et la direction du mouvement lorsqu'ils se détendent pour revenir à leur état normal.
"En faisant varier le temps entre les impulsions laser" pompe " et " sonde ", nous pouvons créer un enregistrement stroboscopique de ce qui se passe - un film de ce à quoi ressemble ce matériau, du repos à l'interaction violente jusqu'à la façon dont il se stabilise, " a déclaré le physicien de Brookhaven Jonathan Rameau, l'un des principaux auteurs de l'article. "C'est comme laisser tomber une boule de bowling dans un seau d'eau pour provoquer une grosse perturbation, puis prendre des photos à divers moments par la suite, " il expliqua.
La technique, dit résolu en temps, spectroscopie photoélectronique à résolution angulaire (tr-ARPES), combiné à des simulations et analyses théoriques complexes, a permis à l'équipe de découvrir la séquence et les « signatures » énergétiques de différents types d'interactions électroniques. Ils ont pu détecter des signaux distincts d'interactions entre les électrons excités (qui se produisent rapidement mais ne dissipent pas beaucoup d'énergie), ainsi que des interactions aléatoires à un stade ultérieur entre les électrons et les atomes qui composent le réseau cristallin (qui génèrent des frictions et conduisent à une perte d'énergie progressive sous forme de chaleur).
Mais ils en découvrirent aussi un autre, signal inattendu - qui, selon eux, représente une forme distincte de perte d'énergie extrêmement efficace à un niveau d'énergie et à une échelle de temps particuliers entre les deux autres.
"Nous voyons une interaction très forte et particulière entre les électrons excités et le réseau où les électrons perdent la plupart de leur énergie très rapidement dans un cohérent, manière non aléatoire, " dit Rameau. A ce niveau d'énergie si particulier, il expliqua, les électrons semblent interagir avec les atomes du réseau vibrant tous à une fréquence particulière, comme un diapason émettant une seule note. Lorsque tous les électrons qui ont l'énergie requise pour cette interaction unique ont abandonné la majeure partie de leur énergie, ils commencent à se refroidir plus lentement en frappant les atomes de manière plus aléatoire sans frapper la fréquence "résonante", il a dit.
Les physiciens du Brookhaven Lab, Peter Johnson (à l'arrière) et Jonathan Rameau. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
La fréquence de l'interaction de réseau spéciale « note » est particulièrement remarquable, disent les scientifiques, parce que son niveau d'énergie correspond à un "kink" dans la signature énergétique du même matériau dans son état supraconducteur, qui a été identifiée pour la première fois par les scientifiques de Brookhaven en utilisant une forme statique d'ARPES. Suite à cette découverte, de nombreux scientifiques ont suggéré que le pli pourrait avoir quelque chose à voir avec la capacité du matériau à devenir un supraconducteur, car elle ne s'observe pas facilement au-dessus de la température supraconductrice.
Mais les nouvelles expériences résolues en temps, qui ont été faites sur le matériau bien au-dessus de sa température supraconductrice, ont pu démêler le signal subtil. Ces nouvelles découvertes indiquent que cette condition spéciale existe même lorsque le matériau n'est pas un supraconducteur.
« Nous savons maintenant que cette interaction ne se déclenche pas seulement lorsque le matériau devient supraconducteur ; elle est en fait toujours là, ", a déclaré Rameau.
Les scientifiques pensent toujours qu'il y a quelque chose de spécial dans le niveau d'énergie de l'interaction unique de type diapason. D'autres phénomènes intrigants ont été observés à ce même niveau d'énergie, ce que Rameau dit a été étudié dans des détails atroces.
C'est possible, il dit, que l'interaction de réseau à une note joue un rôle dans la supraconductivité, mais nécessite un facteur supplémentaire encore à déterminer pour activer la supraconductivité.
"Il y a clairement quelque chose de spécial dans cette note, ", a déclaré Rameau.
