Une équipe internationale dirigée par des scientifiques du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie et de l'Université de Stanford a détecté de nouvelles caractéristiques dans le comportement électronique d'un matériau d'oxyde de cuivre qui peuvent aider à expliquer pourquoi il devient un conducteur électrique parfait - un supraconducteur - à des températures relativement élevées. .

A l'aide d'un instrument à rayons X à ultra haute résolution en France, les chercheurs ont pour la première fois observé des comportements dynamiques dans l'onde de densité de charge (CDW) du matériau - un motif d'électrons qui ressemble à une onde stationnaire - qui soutiennent l'idée que ces ondes peuvent jouer un rôle dans la supraconductivité à haute température.

Les données prises à des températures basses (20 kelvins) et élevées (240 kelvins) ont montré qu'à mesure que la température augmentait, le CDW est devenu plus aligné avec la structure atomique du matériau. Remarquablement, à basse température, le CDW a également induit une augmentation inhabituelle de l'intensité des vibrations du réseau atomique de l'oxyde, indiquant que les comportements CDW dynamiques peuvent se propager à travers le réseau.

"Des recherches antérieures ont montré que lorsque le CDW est statique, il concurrence et diminue la supraconductivité, " a déclaré le co-auteur Wei-Sheng Lee, un scientifique et chercheur du personnel du SLAC au Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES), qui a mené l'étude publiée le 12 juin dans Physique de la nature . "Si, d'autre part, le CDW n'est pas statique mais fluctuant, la théorie nous dit qu'ils peuvent en fait aider à former la supraconductivité."

Une recherche de plusieurs décennies pour une explication

Ce nouveau résultat est le dernier d'une longue recherche menée par des chercheurs du monde entier sur les facteurs qui permettent à certains matériaux de devenir supraconducteurs à des températures relativement élevées.

Depuis les années 1950, les scientifiques savent comment certains métaux et alliages simples deviennent supraconducteurs lorsqu'ils sont refroidis à quelques degrés près du zéro absolu :leurs électrons s'apparient et chevauchent des vagues de vibrations atomiques qui agissent comme une colle virtuelle pour maintenir les paires ensemble. Au dessus d'une certaine température, cependant, la colle échoue à mesure que les vibrations thermiques augmentent, les paires d'électrons se séparent et la supraconductivité disparaît.

En 1986, On a découvert que des matériaux complexes d'oxyde de cuivre devenaient supraconducteurs à des températures beaucoup plus élevées, bien qu'encore assez froides. Cette découverte était si inattendue qu'elle a fait sensation scientifique dans le monde entier. En comprenant et en optimisant le fonctionnement de ces matériaux, les chercheurs espèrent développer des supraconducteurs qui fonctionnent à température ambiante et au-dessus.

En premier, la colle la plus probable maintenant les paires d'électrons supraconducteurs ensemble à des températures plus élevées semblait être de fortes excitations magnétiques créées par les interactions entre les spins des électrons. Mais en 2014, une simulation théorique et des expériences menées par des chercheurs du SIMES ont conclu que ces interactions magnétiques à haute énergie ne sont pas le seul facteur de la supraconductivité à haute température de l'oxyde de cuivre. Un CDW imprévu semble également être important.

Les derniers résultats poursuivent la collaboration SIMES entre l'expérience et la théorie. S'appuyant sur les théories précédentes sur la façon dont les interactions des électrons avec les vibrations du réseau peuvent être sondées avec la diffusion inélastique résonnante des rayons X, ou RIXS, la signature de la dynamique CDW a finalement été identifiée, fournissant un support supplémentaire pour le rôle du CDW dans la détermination de la structure électronique dans les oxydes de cuivre supraconducteurs.

Le nouvel outil essentiel :RIXS

Les nouveaux résultats sont rendus possibles par le développement d'instruments plus performants utilisant RIXS. Désormais disponible en ultra haute résolution à l'Installation européenne de rayonnement synchrotron (ESRF) en France, où l'équipe a réalisé cette expérience, Le RIXS sera également une caractéristique importante du laser à électrons libres à source de lumière cohérente Linac mis à niveau du SLAC, LCLS-II. La combinaison d'une résolution à ultra haute énergie et d'un taux de répétition d'impulsion élevé au LCLS-II permettra aux chercheurs de voir des fluctuations CDW plus détaillées et d'effectuer des expériences visant à révéler des détails supplémentaires sur son comportement et ses liens avec la supraconductivité à haute température. Plus important encore, les chercheurs du LCLS-II pourront utiliser des interactions ultrarapides entre la lumière et la matière pour contrôler les fluctuations CDW, puis en prendre des instantanés à l'échelle femtoseconde.

RIXS consiste à éclairer un échantillon avec des rayons X qui ont juste assez d'énergie pour exciter des électrons profondément à l'intérieur des atomes cibles pour sauter dans une orbite plus élevée spécifique. Lorsque les électrons se détendent dans leurs positions précédentes, une infime fraction d'entre eux émet des rayons X qui contiennent de précieuses informations à l'échelle atomique sur la configuration électronique et magnétique du matériau, considérées comme importantes pour la supraconductivité à haute température.

"À ce jour, aucune autre technique n'a vu de preuve de propagation de la dynamique CDW, " dit Lee.

RIXS a été démontré pour la première fois au milieu des années 1970, mais il n'a pas pu obtenir d'informations utiles pour résoudre les problèmes clés avant 2007, quand Giacomo Ghiringhelli, Lucio Braicovich de l'école polytechnique de Milan en Italie et ses collègues de Swiss Light Source ont apporté un changement fondamental qui a amélioré sa résolution énergétique à un niveau où des détails importants sont devenus visibles - techniquement parlant à environ 120 milli-électronvolts (meV) à la longueur d'onde des rayons X pertinente, qui s'appelle un bord en L en cuivre. Le nouvel instrument RIXS de l'ESRF est trois fois meilleur, atteignant régulièrement une résolution en énergie jusqu'à 40 meV. Depuis 2014, le groupe de Milan a collaboré avec des scientifiques du SLAC et de Stanford dans leurs recherches RIXS.

"Le nouveau RIXS ultra haute résolution fait une énorme différence, " a déclaré Lee. " Il peut nous montrer des détails auparavant invisibles. "