Depuis la découverte il y a deux décennies du supraconducteur topologique non conventionnel Sr 2 RuO 4 , les scientifiques ont largement étudié ses propriétés à des températures inférieures à sa température critique de 1°K (Tc), auquel se produit une transition de phase d'un état métallique à un état supraconducteur. Maintenant des expériences faites à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign dans les laboratoires de Madhavan et Abbamonte, en collaboration avec des chercheurs de six institutions aux États-Unis, Canada, Royaume-Uni, et le Japon, ont apporté un éclairage nouveau sur les propriétés électroniques de ce matériau à des températures de 4°K supérieures à Tc. Les conclusions de l'équipe peuvent élucider des questions encore non résolues sur Sr 2 RuO 4 propriétés émergentes dans l'état supraconducteur.

Vidya Madhavan, professeur de physique et membre du Frederick Seitz Materials Research Lab de l'U. of I., a mené l'expérience. Elle explique, "Nous sommes partis de l'hypothèse largement répandue que, en Sr 2 RO 4 l'état métallique normal au-dessus de sa Tc, les interactions des électrons seraient suffisamment faibles, pour que le spectre des excitations ou des états électroniques soit bien défini."

Madhavan continue, "Toutefois, et c'est une grande surprise, notre équipe a observé des effets d'interaction importants dans l'état métallique normal. Les électrons dans les métaux ont une quantité de mouvement et une énergie bien définies. Dans les métaux simples, à basse température, les électrons occupent tous les états de quantité de mouvement dans une région délimitée par une « surface de Fermi ». Ici, nous avons constaté que la vitesse des électrons dans certaines directions à travers la surface de Fermi était réduite d'environ 50 pour cent, ce qui n'est pas prévu. Nous avons observé des effets d'interaction similaires dans la densité tunnel des états. Il s'agit d'une réduction importante, et ce fut une grande surprise. Nous pensions que nous allions juste trouver la forme de la surface de Fermi, mais plutôt, nous obtenons ces anomalies."

Eduardo Fradkin, professeur de physique et directeur de l'Institute for Condensed Matter Theory de l'U. of I., commentaires, « Les propriétés électroniques de base de ce matériau sont connues depuis un certain temps. Les scientifiques étudient ce matériau car il est censé être un système simple pour tester des effets scientifiques. Mais le matériau a également été une source de débat en cours sur le terrain :c'est un supraconducteur à onde p, avec appariement spin-triplet. Cela a suggéré que l'état supraconducteur peut être de nature topologique. Comprendre comment ce système devient supraconducteur est une question ouverte et intrigante."

La percée dans la compréhension des propriétés déroutantes de l'état supraconducteur du matériau pourrait résider dans cet état anormal (non supraconducteur). Dans un état métallique normal conventionnel à basse température, les états électroniques se comportent comme des quasi-particules bien définies, tel que décrit par la théorie des liquides de Landau-Fermi. Mais les chercheurs ont trouvé des anomalies dans les interactions des particules à 5°K qui caractérisent en fait Sr 2 RuO 4 comme un "métal fortement corrélé".

Dans l'expérience, L'équipe de Madhavan a transmis des électrons dans le matériau à l'aide d'une pointe métallique électronique, puis mesuré le courant résultant à l'aide de deux techniques très avancées et complémentaires, Spectroscopie tunnel à balayage par transformée de Fourier et spectroscopie de perte d'énergie des électrons résolue en quantité de mouvement. En quatre séries de données, les scientifiques ont trouvé un changement significatif dans la probabilité de l'effet tunnel des électrons proche de zéro énergie, par rapport aux Fermi-liquides.

"Nous avons été surpris de voir autant d'informations riches, " partage Madhavan. "Nous avons commencé à parler à Eduardo de la théorie et à Peter Abbamonte de ses expériences. le groupe d'Abbamonte, appliquer la technique de spectroscopie de perte d'énergie électronique résolue en quantité de mouvement, trouve également des interactions avec des modes collectifs aux mêmes énergies.

"La question ouverte maintenant, nous avons trouvé quelque chose d'intéressant à 4°K au-dessus de la transition de phase supraconductrice. Quelle importance cela a-t-il pour ce qui se passe en dessous de la température supraconductrice ?" poursuit Madhavan. L'équipe prévoit d'approfondir cette question ensuite :"Quand Vidya passe à l'état supraconducteur, on en saura plus, " affirme Fradkin. " Ces découvertes lui permettront d'adopter une approche unique pour révéler le paramètre d'ordre supraconducteur de ce matériau dans les expériences à venir. "

La publication anticipée en ligne de ces résultats est apparue le 8 mai 2017, dans Physique de la nature .