La supraconductivité à haute température offre un transport parfait de l'électricité, mais il le fait au prix d'un froid extrême et d'un mécanisme toujours insaisissable. Si compris, les scientifiques pourraient pousser la supraconductivité à des températures plus chaudes et améliorer radicalement les réseaux électriques, électronique grand public, et plus encore, mais l'énigme persiste depuis plus de 30 ans.

Maintenant, les scientifiques ont innové en s'approchant d'un angle contre-intuitif :sonder les soi-disant "mauvais métaux" qui conduisent mal l'électricité. Les chercheurs ont découvert que les « bandes » de charge électronique, qui peut jouer un rôle clé dans la supraconductivité, persister à des températures étonnamment élevées, conductivité de forme, et ont des propriétés dépendantes de la direction.

Les résultats, qui a examiné le système modèle de matériaux d'oxyde de nickel cultivés sur mesure, ont été publiés en ligne le 28 avril dans la revue Lettres d'examen physique .

"C'est une étape sur la voie de la résolution du mécanisme de la supraconductivité à haute température et du rôle complexe des bandes de charge, " dit Ruidan Zhong, auteur principal de l'étude et étudiant au doctorat à l'Université Stony Brook. "Nous avons capturé des instantanés de bandes dynamiques fluctuant dans une phase liquide, où ils ont la liberté de s'aligner et de permettre par intermittence le flux d'électricité."

La collaboration a utilisé la source de neutrons de spallation du laboratoire national d'Oak Ridge du département américain de l'Énergie (DOE) pour mesurer les rayures.

« Nous étudions la commande de bandes depuis deux décennies, et les instruments d'Oak Ridge sont parfaits pour explorer de nouveaux territoires, " a déclaré le coauteur John Tranquada, un physicien au laboratoire national de Brookhaven du DOE. "Le signal que nous recherchions était très faible, et a été enterré dans une jungle de signaux beaucoup plus forts, mais nous l'avons trouvé."

Bombarder un peu d'alchimie

Pendant des décennies, les scientifiques ont pu prendre certains isolants en oxyde de cuivre (cuprate) - ce qui signifie qu'ils ne conduisent pas l'électricité - et substituer des atomes pour modifier le contenu électronique, puis induire une supraconductivité à des températures glaciales. Bien que les rayures jouent probablement un rôle essentiel, leur présence et leur comportement à travers les températures sont particulièrement difficiles à suivre.

"Dans les supraconducteurs cuprates, nous avons appris à détecter les bandes de charge lorsqu'elles sont épinglées sur le réseau atomique, mais une fois qu'ils commencent à bouger, on les perd de vue, " dit Tranquada. " Alors, au lieu d'un composé supraconducteur de lanthane, strontium, le cuivre, et de l'oxygène, nous avons fait un peu d'alchimie pour remplacer le cuivre par du nickel."

Dans un processus élégant dirigé par le co-auteur de l'étude et scientifique de Brookhaven Genda Gu, les cristaux d'oxyde de nickel - ou de nickelate - ont été développés à partir d'une phase liquide sans l'utilisation d'aucun récipient. Comme ils offraient une structure similaire aux cuprates, mais avec un ordre de rayure plus fort, les rayures de charge insaisissables seraient plus faciles à repérer, en supposant que le bon outil puisse être trouvé pour regarder à l'intérieur.

L'équipe s'est tournée vers le spectromètre hybride à temps de vol (HYSPEC) de la source de neutrons de spallation d'Oak Ridge Lab, une installation utilisateur du DOE Office of Science. L'instrument - le produit d'une proposition développée pour la première fois à Brookhaven - a bombardé l'échantillon de nickelate avec un faisceau de neutrons qui se dispersent ensuite sur la structure atomique. En mesurant le temps nécessaire aux neutrons diffusés pour atteindre les détecteurs, les scientifiques ont déduit l'énergie perdue ou gagnée, ce qui à son tour a révélé la présence ou l'absence des rayures.

Bancs de poissons électroniques

Les résultats de la diffusion des neutrons, qui nécessitent un traitement informatique intense, a mis en évidence une phase dite nématique dans le nickelate.

"Les phases nématiques électroniques sont entraînées par des corrélations d'électrons qui brisent la symétrie de rotation du réseau cristallin du matériau, " dit Zhong. " Dans le nickel, ces vagues, les rayures corrélées se déplacent à travers le matériau et ont un impact direct sur la conductivité."

Comme Tranquada l'a expliqué, cela peut être visualisé comme des écoles de longue, poisson mince nageant à travers une structure engloutie.

"Ils bougent serrés, très coordonné, et des packs insaisissables, " Dit Tranquada. " Nager avec ces poissons dans une direction parallèle peut être assez fluide, mais nager contre ce groupe coordonné dans une direction perpendiculaire est un défi. C'est un peu comme la façon dont le courant traverse notre nickelate et interagit avec les ondes de charge."

La manière précise dont ces bandes de charge persistantes et curieuses influencent la conductivité dans les nickelates - et plus important encore dans les cuprates supraconducteurs analogues - reste incertaine.

"Nous espérons que ce travail offre de nouvelles opportunités pour la théorie et l'expérimentation d'explorer la supraconductivité à haute température, " a déclaré Zhong. " Alors que nous continuons à cartographier ces matériaux, le mécanisme finira par manquer d'endroits pour se cacher."