Au plus profond des solides, des électrons individuels circulent sur une autoroute à l'échelle nanométrique pavée d'atomes. Pour la plupart, ces électrons s'évitent, maintenus dans des voies séparées par leur répulsion mutuelle. Mais les vibrations de la route atomique peuvent brouiller leurs voies et parfois permettre aux minuscules particules de s'apparier. Le résultat est un voyage fluide et sans perte, et c'est une façon de créer de la supraconductivité.

Mais il y en a d'autres, moyens moins courants d'obtenir cet effet. Des scientifiques de l'Université du Maryland (UMD), l'Université de Californie, Irvine (UCI) et l'Université Fudan ont maintenant montré que de minuscules tremblements magnétiques conduisent à la supraconductivité dans un matériau composé de nano-couches métalliques. Et, Au-delà de ça, les paires d'électrons résultantes brisent une symétrie fondamentale entre le passé et le futur. Bien que le matériau soit un supraconducteur connu, ces chercheurs fournissent un modèle théorique et une mesure, lequel, pour la première fois, révèle sans ambiguïté le caractère exotique du matériau.

Dans les matériaux quantiques, briser la symétrie entre le passé et le futur signifie souvent des phases non conventionnelles de la matière. L'échantillon nickel-bismuth (Ni-Bi) étudié ici est le premier exemple de matériau 2D où ce type de supraconductivité est intrinsèque, ce qui signifie que cela se produit sans l'aide d'agents externes, comme un supraconducteur voisin. Ces découvertes, récemment publié dans Avancées scientifiques , font du Ni-Bi un choix attrayant pour une utilisation dans les futurs ordinateurs quantiques. Cette recherche peut également aider les scientifiques dans leur recherche d'autres supraconducteurs tout aussi étranges.

Mehdi Kargarian, chercheur postdoctoral à l'UMD et co-auteur de l'article, explique que même après un siècle d'études, la supraconductivité reste un domaine de recherche dynamique. "C'est un problème assez ancien, il est donc surprenant que les gens découvrent encore des types de supraconductivité en laboratoire qui sont sans précédent, " Kargarian dit, ajoutant qu'il y a généralement deux questions que les scientifiques posent à un nouveau supraconducteur. "D'abord, nous voulons comprendre l'appariement électronique sous-jacent - ce qui cause la supraconductivité, " dit-il. " La deuxième chose, liés aux candidatures, est de voir si la supraconductivité est possible à des températures plus élevées."

supraconducteurs, en particulier les types exotiques, restent en grande partie enchaînés à des équipements cryogéniques encombrants. Les scientifiques cherchent des moyens de pousser les températures supraconductrices plus haut, rendant ainsi ces matériaux plus faciles à utiliser pour des choses comme l'amélioration de la distribution d'électricité et la construction de dispositifs quantiques. Dans cette nouvelle recherche, l'équipe aborde la première question de Kargarian et le matériel laisse entrevoir une perspective positive pour la deuxième question. Sa supraconductivité exotique, bien que toujours cryogénique, se produit à une température plus élevée par rapport à d'autres systèmes similaires.

La supraconductivité Ni-Bi a été observée pour la première fois au début des années 1990. Mais plus tard, lorsque les scientifiques de l'Université de Fudan ont publié des études sur un ultrapur, échantillon ultra-mince, ils ont remarqué qu'il se passait quelque chose d'inhabituel.

L'étrangeté commence avec la supraconductivité elle-même. Le bismuth seul n'est pas un supraconducteur, sauf dans des conditions de températures extrêmement basses et de pressions élevées, conditions difficiles à atteindre. Le nickel est magnétique et non supraconducteur. En réalité, des aimants puissants sont connus pour supprimer l'effet. Cela signifie que trop de nickel détruit la supraconductivité, mais une petite quantité l'induit.

Les théoriciens de l'UMD ont proposé que les fluctuations du magnétisme du nickel soient au cœur de cet effet particulier. Ces minuscules tremblements magnétiques aident les électrons à former des paires, faisant ainsi le travail effectué par les vibrations dans les supraconducteurs conventionnels. S'il y a trop de nickel, le magnétisme domine et l'effet des fluctuations diminue. S'il y a trop de bismuth, puis la surface supérieure, où a lieu la supraconductivité, est trop éloigné de la source des fluctuations magnétiques.

La zone de boucle d'or se produit lorsqu'une couche de bismuth de vingt nanomètres d'épaisseur est formée au-dessus de deux nanomètres de nickel. Pour cette combinaison de couches, la supraconductivité se produit à environ 4 degrés au-dessus du zéro absolu. Bien que ce soit à peu près aussi froid que l'espace lointain, il est en fait assez convivial pour le laboratoire et accessible à l'aide d'un équipement cryogénique standard.

L'idée que les fluctuations magnétiques peuvent favoriser la supraconductivité n'est pas nouvelle et remonte à la fin du 20e siècle. Cependant, les exemples les plus anciens d'un tel comportement nécessitent des conditions de fonctionnement strictes, comme la haute pression. Les chercheurs expliquent que le Ni-Bi est différent car un simple refroidissement suffit pour obtenir ce type de supraconductivité exotique, qui brise la symétrie temporelle.

Les chercheurs ont utilisé un appareil hautement personnalisé pour rechercher des signes de symétrie brisée. La lumière doit tourner lorsqu'elle est réfléchie par les échantillons qui ont cette propriété. Pour Ni-Bi, la quantité attendue de rotation de la lumière est de dizaines de nanoradians, ce qui représente environ 100 milliardièmes de tick sur un cadran de montre. Jing Xia, co-auteur de l'article et professeur à l'UCI, possède l'un des seuls appareils au monde capable de mesurer une rotation de la lumière aussi imperceptible.

Afin de mesurer cette rotation pour Ni-Bi, les ondes lumineuses sont d'abord injectées dans une extrémité d'une seule fibre optique à usage spécial. Les deux ondes traversent la fibre, comme sur des chemins indépendants. Ils frappent l'échantillon puis rebroussent chemin. Au retour, les vagues sont combinées et forment un motif. Rotations des ondes lumineuses - de, dire, bris de symétrie - apparaîtra dans le motif analysé sous forme de petites traductions. Xia et ses collègues de l'UCI ont mesuré environ 100 nanoradians de rotation, confirmant la symétrie brisée. Surtout, l'effet est apparu juste au moment où l'échantillon Ni-Bi est devenu un supraconducteur, suggérant que la symétrie temporelle brisée et l'apparition de la supraconductivité sont fortement liées.

Cette forme de supraconductivité est rare et les chercheurs disent qu'il n'y a toujours pas de recette pour y arriver. Mais, comme le souligne Xia, il y a des conseils dans les mathématiques derrière le comportement des électrons. "Nous savons mathématiquement comment faire en sorte que des paires d'électrons brisent la symétrie d'inversion du temps, " dit Xia. Pratiquement, comment y parvenir par formule ? C'est la question à un million de dollars. Mais mon instinct est que lorsque vous obtenez une supraconductivité à médiation par fluctuation magnétique, comme dans ce matériau, alors il est fort probable que vous brisiez cette symétrie."