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    Imagerie des transitions nématiques dans les supraconducteurs à pnictide de fer

    Crédit :Yang et al.

    Des chercheurs de l'Université de Stanford ont récemment mené une étude approfondie des transitions nématiques dans les supraconducteurs fer-pnictide. Leur papier, Publié dans Physique de la nature , présente de nouvelles données d'imagerie de ces transitions recueillies à l'aide d'un microscope qu'ils ont inventé, surnommé le microscope à atomes cryogéniques quantiques à balayage (SQCRAMscope).

    "Nous avons inventé un nouveau type de microscope à sonde à balayage il y a quelques années, " Benjamin L. Lev, le chercheur qui a dirigé l'étude, dit Phys.org. "On peut le voir comme un microscope optique normal, mais au lieu de la lentille focalisée sur un échantillon de diapositive, l'accent est mis sur un gaz quantique d'atomes qui sont en lévitation près de l'échantillon."

    Dans le nouveau microscope inventé par Lev et ses collègues, les atomes sont mis en lévitation à partir d'un dispositif de piégeage « puce atomique » à l'aide de champs magnétiques, jusqu'à ce qu'ils soient à seulement un micron au-dessus de la lame d'échantillon. Ces atomes peuvent transduire les champs magnétiques qui émanent de l'échantillon dans la lumière collectée par l'objectif du microscope. Par conséquent, Le SQCRAMscope peut être utilisé pour imager les champs magnétiques.

    "Les atomes que nous utilisons sont ultrafroids et dans un état quantique :ils ont une température proche du zéro absolu et sont parmi les gaz les plus froids de l'univers connu, " dit Lev. " En tant que tel, ils sont les meilleurs capteurs de champ magnétique basse fréquence à l'échelle du micron. Les atomes peuvent être balayés sur la surface du matériau, nous permettant d'enregistrer une image 2D des champs à proximité."

    En calculant la distance entre les atomes du microscope et la surface d'un matériau, les chercheurs peuvent sauvegarder des images de sources de champ magnétique. Les sources de champ magnétique pourraient, par exemple, être des électrons qui se déplacent ou une aimantation générale à l'intérieur d'un matériau.

    Imager ces sources tout en les refroidissant à l'aide d'un outil appelé « cryostat » pourrait à terme dévoiler de nouveaux phénomènes physiques qui se produisent à différentes transitions de phase. Le microscope développé par Lev et ses collègues pourrait ainsi servir de tout nouveau capteur quantique pour l'imagerie des champs magnétiques émanant de divers matériaux, potentiellement conduire à de nouvelles découvertes fascinantes.

    « Une fois que nous avons démontré que le SQCRAMscope fonctionne, nous avons commencé à rechercher une meilleure première utilisation scientifique pour cela, " expliqua Lev. " Les supraconducteurs à base de fer (pnictide) semblaient être des candidats idéaux, car ils présentent un comportement de transport d'électrons intéressant à l'échelle du micron à des températures accessibles."

    Les supraconducteurs à base de fer pnictide présentent un certain nombre de caractéristiques inhabituelles et intrigantes. À ce jour, les physiciens ne savent pas comment la supraconductivité à haute température critique (haute Tc), tel que celui observé dans ces matériaux, travaux. Les supraconducteurs à base de fer ont été découverts pour la première fois vers 2008. Fait intéressant, la recherche a révélé qu'ils présentaient des comportements similaires à ceux des supraconducteurs cuprate.

    Crédit :Yang et al.

    "Ces supraconducteurs "non conventionnels" (par opposition aux supraconducteurs conventionnels comme l'aluminium à basse température) existent dans les matériaux cuprate, découvert au milieu des années 80, " Lev a déclaré. "Le mécanisme sous-jacent à leur supraconductivité reste un mystère. Les chercheurs opérant dans notre domaine espèrent que l'élucidation de ce mécanisme fournira des données robustes, température ambiante, et les supraconducteurs à pression ambiante pour une utilisation dans une grande variété de technologies."

    Une similitude clé entre les supraconducteurs à base de fer et les supraconducteurs à base de fer est que ces deux matériaux présentent des phases électroniques inhabituelles de la matière, du côté le plus chaud de la supraconductivité. Deux des phases les plus connues parmi ces phases de la matière sont les phases « métal étrange » et « électron nématique ». La phase nématique électronique est un exemple de cristal liquide quantique, similaire aux cristaux liquides classiques trouvés dans les écrans LCD.

    "Ces cristaux classiques sont des nématiques, ce qui signifie que les molécules en forme de tige s'alignent toutes dans une direction, briser la symétrie de rotation du matériau, " dit Lev. " En d'autres termes, les molécules choisissent une direction préférée à suivre. Les théoriciens de la matière condensée dans les années 90 ont commencé à réfléchir à la façon dont les électrons pourraient faire la même chose. Non pas que les électrons soient autre chose que ponctuels (pour autant que nous le sachions actuellement), mais qu'en dessous d'une température de transition critique, ils décideraient de circuler de préférence (c'est-à-dire, conduite ou transport) le long d'une direction particulière dans un cristal, briser à nouveau la symétrie de rotation ; cela se manifesterait comme une anisotropie dans la résistivité du matériau."

    Alors que la nématique électronique a été constamment observée dans les supraconducteurs à base de fer, les chercheurs ne sont toujours pas sûrs des raisons de leur apparition et de la pertinence de cette phase unique de la matière pour la phase supraconductrice à basse température. La théorie n'a pas encore définitivement déterminé si cette phase entrave, améliore ou joue peu de rôle dans la détermination de la Tc de la phase supraconductrice du matériau.

    Les pnictides pourraient être des matériaux idéaux pour l'étude de la nématique électronique, car les électrons qu'ils contiennent provoquent également une distorsion spontanée de leur structure de réseau cristallin. En réalité, des recherches antérieures ont montré qu'à mesure que la résistivité électronique de ces matériaux devient anisotrope, leur réseau se déforme d'une forme carrée à une forme de parallélogramme (c'est-à-dire, de tétragonal à orthorhombique).

    Cette transformation a deux conséquences principales. Premièrement, les domaines structuraux résultants ont une anisotropie de résistivité pointant dans des directions orthogonales. Deuxièmement, le fait que la distorsion du réseau fait tourner la polarisation de la lumière réfléchie permet d'observer ces domaines à l'aide de microscopes optiques.

    "Malheureusement, la première conséquence complique les mesures de transport, " expliqua Lev. " On ne peut pas simplement mesurer l'anisotropie de la résistivité avec un ohmmètre parce que le signal est en moyenne à zéro sur la structure du domaine de retournement. C'est là que nous intervenons. Nous évitons ce problème de moyenne en utilisant une sonde locale pour imager l'anisotropie locale domaine par domaine en voyant les directions dans lesquelles les électrons circulent en détectant le champ magnétique qu'ils projettent.

    Lev et ses collègues ont été les premiers à imager avec succès l'anisotropie de la résistivité locale dans les supraconducteurs à pnictide de fer. L'une des raisons pour lesquelles ils ont réussi est que la sonde qu'ils ont utilisée peut fonctionner à des températures élevées (~130 K), tels que ceux auxquels cette transition unique se produit.

    Figure expliquant le fonctionnement du microscope développé par les chercheurs. Crédit :Yang et al.

    "Une sonde standard, comme le balayage de la magnétométrie SQUID ne peut pas vraiment imager des échantillons à ces températures avec une haute résolution car l'appareil lui-même deviendra trop chaud et cessera de fonctionner avec une sensibilité élevée, " dit Lev. " En revanche, notre sonde est juste un gaz d'atomes qui n'absorbe aucune chaleur de l'échantillon. De plus, parce que les atomes sont transparents à la plupart des longueurs d'onde lumineuses, nous avons pu projeter une lumière sur la surface pour imager ces structures de domaine en même temps que nous prenions les scans magnétométriques."

    En imageant les structures de domaine et en capturant simultanément des balayages de magnétométrie, les chercheurs ont pu identifier les sites exacts qu'ils balayaient dans le matériau et déterminer si le déplacement des structures de réseau observé dans les supraconducteurs à pnictide de fer se produit effectivement à la même température critique que leur nématicité électronique. Grâce à ce système à double sonde, Lev et ses collègues ont pu corroborer leurs observations, ce qui n'a jamais été réalisé avec d'autres appareils de palpage.

    "La capacité d'imagerie locale de notre appareil nous a permis de mesurer une transition nématique électronique plus nette et de voir qu'elle s'est produite à la même température que la transition structurelle, " a déclaré Lev. " La communauté des chercheurs en général a souvent demandé si ces transitions se produisaient en fait à la même température, et nous avons montré qu'en effet ils le font, au moins sur l'échelle de longueur du micron à la dizaine de microns."

    Le nouveau microscope conçu par Lev et ses collègues utilise un condensat de Bose-Einstein, qui a une sensibilité qui ne dépend pas de la température de l'échantillon qui est analysé. En plus de sa fonction double sonde, le microscope peut ainsi collecter des mesures très précises à des températures allant de la pièce à la température cryogénique, de manière non invasive.

    L'étude récente menée par Lev et ses collègues a un certain nombre d'implications importantes. Notamment, ça démontre, pour la toute première fois, le potentiel du SQCRAMscope des chercheurs pour l'étude des phénomènes physiques.

    En utilisant le SQCRAMscope, les chercheurs ont pu collecter les premières images locales de transitions nématiques dans les supraconducteurs fer-pnictide. Ces images offrent de nouvelles informations précieuses sur comment et quand ces transitions ont lieu. Dans leurs prochaines études, les chercheurs prévoient d'utiliser leur capteur quantique pour étudier davantage la nématicité, ainsi que d'explorer des phénomènes physiques dans d'autres matériaux quantiques complexes.

    "Nous avons compilé une longue liste de matériaux passionnants à étudier maintenant que le SQCRAMscope est pleinement opérationnel, " Lev a dit. "Ceux-ci présentent un transport d'électrons topologiquement protégé ou sont fortement corrélés (c'est-à-dire, les électrons interagissent et se déplacent dans une danse compliquée les uns avec les autres, avec pour conséquence qu'au moins certains aspects de leur physique restent souvent un mystère)."

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