Dans les années 1980, la découverte de supraconducteurs à haute température connus sous le nom de cuprates a renversé une théorie largement répandue selon laquelle les matériaux supraconducteurs transportent du courant électrique sans résistance uniquement à des températures très basses d'environ 30 Kelvin (ou moins 406 degrés Fahrenheit). Depuis des décennies, les chercheurs ont été mystifiés par la capacité de certains cuprates à être supraconducteurs à des températures de plus de 100 Kelvin (moins 280 degrés Fahrenheit).

Maintenant, Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie ont dévoilé un indice sur les propriétés inhabituelles des cuprates – et la réponse se trouve dans une source inattendue :le spin des électrons. Leur article décrivant la recherche derrière cette découverte a été publié le 13 décembre dans le journal Science .

Ajout du spin électronique à l'équation

Chaque électron est comme un petit aimant qui pointe dans une certaine direction. Et les électrons dans la plupart des matériaux supraconducteurs semblent suivre leur propre boussole interne. Plutôt que de pointer dans la même direction, leurs tours d'électrons pointent au hasard dans tous les sens - certains vers le haut, certains vers le bas, d'autres à gauche ou à droite.

Lorsque les scientifiques développent de nouveaux types de matériaux, ils regardent généralement le spin des électrons des matériaux, ou la direction dans laquelle les électrons pointent. Mais quand il s'agit de fabriquer des supraconducteurs, les physiciens de la matière condensée ne se sont traditionnellement pas concentrés sur le spin, parce que le point de vue conventionnel était que toutes les propriétés qui rendent ces matériaux uniques n'étaient façonnées que par la manière dont deux électrons interagissent entre eux par le biais de ce que l'on appelle la « corrélation électronique ».

Mais lorsqu'une équipe de recherche dirigée par Alessandra Lanzara, chercheur à la faculté des sciences des matériaux du Berkeley Lab et professeur de physique Charles Kittel à l'UC Berkeley, utilisé un détecteur unique pour mesurer des échantillons d'un supraconducteur exotique de cuprate, Bi-2212 (oxyde de bismuth strontium calcium cuivre), avec une technique puissante appelée SARPES (spectroscopie de photoémission résolue en spin et en angle), ils ont découvert quelque chose qui a défié tout ce qu'ils avaient jamais connu sur les supraconducteurs :un modèle distinct de spins d'électrons dans le matériau.

"En d'autres termes, nous avons découvert qu'il y avait une direction bien définie dans laquelle chaque électron pointait étant donné sa quantité de mouvement, une propriété également connue sous le nom de verrouillage de l'impulsion de rotation, " a déclaré Lanzara. " Le trouver dans les supraconducteurs à haute température a été une grande surprise. "

Une nouvelle carte pour les supraconducteurs à haute température

Dans le monde des supraconducteurs, « température élevée » signifie que le matériau peut conduire l'électricité sans résistance à des températures plus élevées que prévu, mais toujours à des températures extrêmement froides bien en dessous de zéro degré Fahrenheit. C'est parce que les supraconducteurs doivent être extrêmement froids pour transporter l'électricité sans aucune résistance. A ces basses températures, les électrons sont capables de se déplacer de manière synchronisée les uns avec les autres et de ne pas être heurtés par des atomes agités, provoquant une résistance électrique.

Et dans cette classe spéciale de matériaux supraconducteurs à haute température, les cuprates sont parmi les plus performants, amenant certains chercheurs à croire qu'ils ont une utilisation potentielle en tant que nouveau matériau pour la construction de fils électriques super efficaces qui peuvent transporter de l'énergie sans aucune perte de quantité de mouvement des électrons, a déclaré le co-auteur principal Kenneth Gotlieb, qui était titulaire d'un doctorat. étudiant dans le laboratoire de Lanzara au moment de la découverte. Comprendre ce qui fait que certains supraconducteurs exotiques en cuprate tels que le Bi-2212 fonctionnent à des températures aussi élevées que 133 Kelvin (environ -220 degrés Fahrenheit) pourrait faciliter la réalisation d'un dispositif pratique.

Parmi les matériaux très exotiques étudiés par les physiciens de la matière condensée, il existe deux types d'interactions électroniques qui donnent lieu à de nouvelles propriétés pour de nouveaux matériaux, y compris les supraconducteurs, dit Gotlieb. Les scientifiques qui ont étudié les supraconducteurs en cuprate se sont concentrés sur une seule de ces interactions :la corrélation électronique.

L'autre type d'interaction électronique que l'on trouve dans les matériaux exotiques est le "couplage spin-orbite - la manière dont le moment magnétique de l'électron interagit avec les atomes du matériau.

Le couplage spin-orbite a souvent été négligé dans les études des supraconducteurs cuprates, parce que beaucoup supposaient que ce type d'interaction électronique serait faible par rapport à la corrélation électronique, a déclaré le co-auteur principal Chiu-Yun Lin, un chercheur dans la division des sciences des matériaux du laboratoire et un doctorat. étudiant au Département de physique de l'UC Berkeley. Alors, quand ils ont trouvé le motif de rotation inhabituel, Lin a déclaré que bien qu'ils aient été agréablement surpris par cette première découverte, ils ne savaient toujours pas s'il s'agissait d'une "vraie" propriété intrinsèque du matériau Bi-2212, ou un effet externe causé par la façon dont la lumière laser interagit avec le matériau de l'expérience.

Mettre en lumière le spin des électrons avec SARPES

Pendant près de trois ans, Gotlieb et Lin ont utilisé le détecteur SARPES pour cartographier minutieusement le modèle de spin au laboratoire de Lanzara. Lorsqu'ils avaient besoin d'énergies photoniques plus élevées pour exciter une plus large gamme d'électrons dans un échantillon, les chercheurs ont déplacé le détecteur à côté du synchrotron de Berkeley Lab, la source lumineuse avancée (ALS), une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science des États-Unis spécialisée dans les basses énergies, lumière X "douce" pour l'étude des propriétés des matériaux.

Le détecteur SARPES a été développé par Lanzara, avec les co-auteurs Zahid Hussain, l'ancien adjoint de la division ALS, et Chris Jozwiak, un scientifique de l'ALS. Le détecteur a permis aux scientifiques de sonder les propriétés électroniques clés des électrons telles que la structure de la bande de valence.

Après des dizaines d'expériences à l'ALS, où l'équipe de chercheurs a connecté le détecteur SARPES à Beamline 10.0.1 afin qu'ils puissent accéder à cette lumière puissante pour explorer le spin des électrons se déplaçant avec une impulsion beaucoup plus élevée à travers le supraconducteur que ceux auxquels ils pouvaient accéder en laboratoire, ils ont découvert que le modèle de spin distinct du Bi-2212, appelé « spin non nul », était un résultat réel, les incitant à poser encore plus de questions. "Il reste de nombreuses questions non résolues dans le domaine de la supraconductivité à haute température, " a déclaré Lin. "Notre travail fournit de nouvelles connaissances pour mieux comprendre les supraconducteurs cuprate, qui peut être un élément constitutif pour résoudre ces questions. »

Lanzara a ajouté que leur découverte n'aurait pas pu se produire sans la "science d'équipe" collaborative du Berkeley Lab, un laboratoire national du DOE ayant des liens historiques avec l'UC Berkeley à proximité. "Ce travail est un exemple typique de la direction que peut prendre la science lorsque des personnes ayant une expertise dans toutes les disciplines scientifiques se réunissent, et comment la nouvelle instrumentation peut repousser les limites de la science, " elle a dit.