Le nouvel alliage du Rice Center for Quantum Material est le premier supraconducteur à base de fer qui peut être réglé en continu de la phase supraconductrice à la phase isolante Mott. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Des physiciens du Centre des matériaux quantiques (RCQM) de l'Université Rice ont créé un nouveau matériau à base de fer qui offre des indices sur les origines microscopiques de la supraconductivité à haute température.
Le matériel, une formulation de fer, sodium, cuivre et arsenic créés par l'étudiant diplômé de Rice Yu Song dans le laboratoire du physicien Pengcheng Dai, est décrit cette semaine dans le journal Communication Nature .
Dai a déclaré que la recette de Song, qui consiste à mélanger des ingrédients dans une atmosphère d'argon pur, les sceller dans des bidons de niobium et les cuire à près de 1, 000 degrés Celsius—produit un alliage en couches dans lequel le fer et le cuivre se séparent en bandes alternées. Cette rayure est essentielle pour l'utilité du matériau pour expliquer les origines de la supraconductivité à haute température, a déclaré le directeur du RCQM Qimiao Si.
"En formant ce motif régulier, Yu Song a physiquement supprimé le désordre du système, et c'est d'une importance cruciale pour pouvoir dire quelque chose de significatif sur ce qui se passe électroniquement, " dit Si, un physicien théoricien qui a travaillé pour expliquer les origines de la supraconductivité à haute température et des phénomènes similaires pendant près de deux décennies.
La supraconductivité à haute température a été découverte en 1986. Elle se produit lorsque des électrons s'apparient et circulent librement dans des alliages en couches comme la nouvelle création de Song. Des dizaines d'alliages supraconducteurs à haute température ont été créés. La plupart sont des cristaux complexes qui contiennent un métal de transition, généralement du fer ou du cuivre, et d'autres éléments. Les supraconducteurs à haute température sont généralement de très mauvais conducteurs à température ambiante et ne deviennent supraconducteurs que lorsqu'ils sont refroidis à une température critique.
Yu Song, étudiant diplômé de l'Université Rice, a créé un nouveau matériau à partir de fer, sodium, cuivre et arsenic qui offre aux physiciens des indices sur les origines microscopiques de la supraconductivité à haute température. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
"Le problème central de la supraconductivité à haute température est de comprendre la relation précise entre ces deux états fondamentaux de la matière et la transition de phase entre eux, " dit Dai, professeur de physique et d'astronomie à Rice. "Le changement macroscopique est évident, mais les origines microscopiques du comportement sont sujettes à interprétation, en grande partie parce qu'il y a de nombreuses variables en jeu, et la relation entre eux est à la fois synergique et non linéaire."
Dai a déclaré que deux écoles de pensée « se sont développées dès le début de ce domaine. L'une était le camp itinérant, qui soutient que les deux états résultent finalement d'électrons itinérants. Après tout, ces matériaux sont des métaux, même s'il s'agit de métaux pauvres."
L'autre camp est le camp localisé, qui soutient qu'une physique fondamentalement nouvelle apparaît - en raison des interactions électron-électron - au point critique auquel les matériaux passent d'une phase à l'autre.
Dai a déclaré que les mesures sur le nouveau matériau de Song soutiennent la théorie localisée. En particulier, le nouveau matériau est le premier membre d'une classe de supraconducteurs à base de fer appelés pnictides (prononcés NIK-tides) qui peuvent être réglés entre deux phases concurrentes :la phase supraconductrice dans laquelle les électrons circulent sans résistance, et une phase "Mott isolante" dans laquelle les électrons se bloquent et ne circulent pas du tout.
La structure cristalline du nouveau matériau stratifié comprend une alternance de bandes de fer (bleu) et de cuivre (rouge). Le striping est essentiel pour l'utilité du matériau pour expliquer les origines de la supraconductivité à haute température. Crédit :Université Yu Song/Rice
"La découverte que Yu Song a faite est que ce matériau est plus corrélé, ce qui est évident à cause de la phase isolante de Mott, " a déclaré Dai. "C'est la première fois que quelqu'un signale un supraconducteur à base de fer qui peut être réglé en continu de la phase supraconductrice à la phase isolante Mott."
Des prélèvements ont été effectués et certains tests ont été effectués au RCQM. Des tests supplémentaires ont été effectués au Centre canadien de faisceaux de neutrons des Laboratoires de Chalk River en Ontario, le National Institute for Standards and Technology's Center for Neutron Research dans le Maryland, Laboratoire national de Brookhaven à New York, Le réacteur à isotope à haut flux du Laboratoire national d'Oak Ridge au Tennessee et la ligne de faisceau de spectroscopies résonantes avancées de l'Institut Paul Scherrer en Suisse.
"Dans le journal, nous avons montré que si l'interaction était faible, alors même remplacer 50 pour cent du fer par du cuivre ne serait toujours pas suffisant pour produire l'état isolant, " dit Si. " Le fait que nos expérimentateurs aient réussi à transformer le système en isolant Mott fournit donc une preuve directe de fortes interactions électron-électron dans les pnictides de fer. C'est un pas en avant important car cela suggère que la supraconductivité devrait être liée à ces fortes corrélations électroniques. »
