Une animation montre comment un faisceau laser infrarouge (orange) déclenche des vibrations atomiques dans une fine couche de séléniure de fer, qui sont ensuite enregistrés par des impulsions laser à rayons X ultrarapides pour créer un film ultrarapide. Le mouvement des atomes de sélénium (rouge) modifie l'énergie des orbitales électroniques des atomes de fer (bleu), et les vibrations électroniques résultantes sont enregistrées séparément avec une technique appelée ARPES (non représentée). Crédit :Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Des scientifiques du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie et de l'Université de Stanford ont effectué les premières mesures directes, et de loin les plus précis, de la façon dont les électrons se déplacent en synchronisation avec les vibrations atomiques ondulant à travers un matériau exotique, comme s'ils dansaient au même rythme.
Les vibrations sont appelées phonons, et le couplage électron-phonon mesuré par les chercheurs était 10 fois plus fort que ce que la théorie avait prédit, ce qui le rend suffisamment fort pour jouer potentiellement un rôle dans la supraconductivité non conventionnelle, qui permet aux matériaux de conduire l'électricité sans perte à des températures étonnamment élevées.
Quoi de plus, l'approche qu'ils ont développée donne aux scientifiques une manière totalement nouvelle et directe d'étudier une large gamme de matériaux "émergents" dont les propriétés surprenantes émergent du comportement collectif des particules fondamentales, comme les électrons. La nouvelle approche étudie ces matériaux par le biais d'expériences uniquement, plutôt que de se fier à des hypothèses fondées sur la théorie.
Les expériences ont été réalisées avec le laser à rayons X à électrons libres Linac Coherent Light Source (LCLS) du SLAC et avec une technique appelée spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (ARPES) sur le campus de Stanford. Les chercheurs ont décrit l'étude aujourd'hui dans Science.
Une approche « révolutionnaire »
"Je pense que ce résultat aura plusieurs impacts, " dit Giulia Galli, professeur à l'Institute for Molecular Engineering de l'Université de Chicago et scientifique principal au Argonne National Laboratory du DOE qui n'a pas participé à l'étude.
"Bien sûr, ils ont appliqué la méthode à un matériau très important, un que tout le monde a essayé de comprendre et de comprendre, et c'est super, " dit-elle. " Mais le fait qu'ils montrent qu'ils sont capables de mesurer l'interaction électron-phonon, ce qui est si important dans tant de matériaux et de processus physiques - ceci, Je crois, est une percée qui ouvrira la voie à de nombreuses autres expériences sur de nombreux autres matériaux."
La capacité de faire cette mesure, elle a ajouté, permettra aux scientifiques de valider des théories et des calculs qui décrivent et prédisent la physique de ces matériaux d'une manière qu'ils n'avaient jamais pu faire auparavant.
Dans cette illustration, un faisceau laser infrarouge (orange) déclenche des vibrations atomiques dans une fine couche de séléniure de fer, qui sont ensuite enregistrés par des impulsions laser à rayons X ultrarapides (blanc) pour créer un film ultrarapide. Le mouvement des atomes de sélénium (rouge) modifie l'énergie des orbitales électroniques des atomes de fer (bleu), et les vibrations électroniques résultantes sont enregistrées séparément avec une technique appelée ARPES (non représentée). Le couplage des positions atomiques et des énergies électroniques est beaucoup plus fort qu'on ne le pensait auparavant et peut avoir un impact significatif sur la supraconductivité du matériau. Crédit :Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
"Ces mesures de précision nous donneront un aperçu approfondi du comportement de ces matériaux, " dit Zhi-Xun Shen, professeur au SLAC et à Stanford et chercheur au Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) qui a dirigé l'étude.
« Films » extraordinairement précis
L'équipe a utilisé le LCLS du SLAC pour mesurer les vibrations atomiques et l'ARPES pour mesurer l'énergie et la quantité de mouvement des électrons dans un matériau appelé séléniure de fer. La combinaison des deux techniques leur a permis d'observer le couplage électron-phonon avec une précision extraordinaire, sur une échelle de temps de la femtoseconde - des millionièmes de milliardième de seconde - et à environ un milliardième de la largeur d'un cheveu humain.
"Nous avons pu faire un" film, ' utilisant l'équivalent de deux caméras pour enregistrer les vibrations atomiques et les mouvements des électrons, et montrer qu'ils se tortillent en même temps, comme deux ondes stationnaires superposées, " a déclaré le co-auteur Shuolong Yang, chercheur postdoctoral à l'Université Cornell.
"Ce n'est pas un film au sens ordinaire des images que l'on peut regarder sur un écran, ", a-t-il déclaré. "Mais il capture les mouvements des phonons et des électrons dans des images filmées 100 000 milliards de fois par seconde, et nous pouvons enchaîner environ 100 d'entre eux, tout comme des images de film pour obtenir une image complète de la façon dont ils sont liés. "
Le séléniure de fer qu'ils ont étudié est un matériau curieux. Il est connu de conduire l'électricité sans perte, mais seulement à des températures extrêmement froides, et d'une manière qui ne pourrait pas être entièrement expliquée par les théories établies; c'est pourquoi on l'appelle un supraconducteur non conventionnel.
À la recherche d'un indice intrigant
Mais il y a cinq ans, un groupe de recherche en Chine a rapporté une observation intrigante :lorsqu'une fine couche atomique de séléniure de fer est placée sur un autre matériau appelé STO, du nom de ses ingrédients principaux, le strontium, titane et oxygène - sa température supraconductrice maximale passe de 8 degrés à 60 degrés au-dessus du zéro absolu, ou moins 213 degrés Celsius. Même s'il fait encore très froid, c'est une température beaucoup plus élevée que prévu par les scientifiques, et il se situe dans la plage de fonctionnement des "supraconducteurs à haute température, " dont la découverte en 1986 a déclenché une frénésie de recherches en raison de l'impact révolutionnaire que ces émetteurs électriques parfaitement efficaces pouvaient avoir sur la société.
SLAC/Stanford Professeur Zhi-Xun Shen, la gauche, et Patrick Kirchmann, scientifique du SLAC, avec l'instrument ARPES utilisé pour mesurer l'énergie et la quantité de mouvement des électrons dans un film de séléniure de fer. Crédit :Dawn Harmer/SLAC National Accelerator Laboratory
Suite à cet indice, Le groupe de Shen a examiné la même combinaison de matériaux avec ARPES. Dans un article de 2014 dans Nature, ils ont conclu que les vibrations atomiques dans le STO montent dans le séléniure de fer et donnent aux électrons l'énergie supplémentaire dont ils ont besoin pour s'apparier et transporter l'électricité sans perte à des températures plus élevées qu'ils ne le feraient seuls.
Cela suggère que les scientifiques pourraient être en mesure d'atteindre des températures supraconductrices maximales encore plus élevées en modifiant un certain nombre de variables, telles que la nature du substrat sous un film supraconducteur, Tout en même temps.
Mais ce couplage des vibrations atomiques et du comportement collaboratif des électrons pourrait-il également avoir lieu dans le séléniure de fer seul, sans coup de pouce d'un substrat ? C'est ce que la présente étude visait à découvrir.
Comme taper sur une cloche avec un marteau
L'équipe de Shen a fait un plus épais, film de séléniure de fer atomiquement uniforme et frappez-le avec une lumière laser infrarouge pour exciter ses vibrations atomiques de 5 000 milliards de fois par seconde, comme si vous tapiez doucement sur une cloche avec un petit marteau, Le scientifique et co-auteur du SLAC, Patrick Kirchmann, a déclaré. Cela a fait osciller les vibrations en synchronisation les unes avec les autres tout au long du film, afin qu'ils puissent être plus facilement observés.
L'équipe a ensuite mesuré les vibrations atomiques du matériau et le comportement des électrons dans deux expériences distinctes. Yang, qui était un étudiant diplômé de Stanford à l'époque, conduit la mesure ARPES. Simon Gerber, chercheur postdoctoral dans le groupe de Shen, a dirigé les mesures LCLS au SLAC ; il a depuis rejoint le SwissFEL à l'Institut Paul Scherrer en Suisse en tant que scientifique.
La nouvelle étude ne prouve pas que le couplage des vibrations atomiques et électroniques était responsable de l'augmentation de la température supraconductrice du séléniure de fer dans les études précédentes, dit Kirchmann. Mais la combinaison des observations laser à rayons X et ARPES devrait fournir des informations nouvelles et plus sophistiquées sur la physique des systèmes matériels où plusieurs facteurs sont en jeu en même temps, et, espérons-le, faire avancer le domaine plus rapidement.
