Cette image produite par le microscope à effet tunnel à imagerie spectroscopique révèle l'emplacement de chaque atome à la surface, ainsi que chaque défaut atomique dans le champ de vision. Les points blancs formant des carrés disposés à 45 degrés par rapport à l'axe x/y sont des atomes de sélénium (Se), tandis que les défauts - atomes de Fe manquants dans le plan Fe, environ un quart de nanomètre sous la surface de Se - se présentent sous la forme de perturbations en forme de papillon produites par l'interférence quantique des électrons diffusés par les défauts. Ces modèles d'interférence de diffusion ont conduit à la découverte de l'appariement sélectif orbital de Cooper dans FeSe. Crédit :Brookhaven Lab/Cornell U
Une équipe de scientifiques a trouvé des preuves d'un nouveau type d'appariement d'électrons qui pourrait élargir la recherche de nouveaux supraconducteurs à haute température. Les résultats, décrit dans la revue Science, fournir la base d'une description unificatrice de la façon dont des matériaux "parents" radicalement différents - des composés isolants à base de cuivre et des composés métalliques à base de fer - peuvent développer la capacité de transporter un courant électrique sans résistance à des températures étonnamment élevées.
Selon les scientifiques, les caractéristiques électroniques différentes des matériaux détiennent en fait la clé de la communauté.
"Les scientifiques ont pensé que parce que le point de départ de la supraconductivité dans ces deux classes de matériaux est si différent, vous avez besoin de différentes approches théoriques pour les décrire, " a déclaré J.C. Séamus Davis, un physicien au Laboratoire national de Brookhaven du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) et à l'Université Cornell, qui a dirigé l'équipe de scientifiques expérimentaux. "Au lieu, nous avons été motivés à explorer ce qui est universel dans ces deux systèmes. Idéalement, il ne devrait y avoir qu'une seule explication."
Les scientifiques ont généralement compris que le mécanisme de la supraconductivité dans les composés d'oxyde de cuivre dépend de la capacité des électrons des atomes de cuivre adjacents à s'apparier. Chaque atome de cuivre a un seul, électron non apparié dans sa couche d'énergie la plus externe, ou orbitale. Alors que les électrons les plus externes sur les atomes de cuivre adjacents interagissent fortement les uns avec les autres, ils restent normalement verrouillés en place, coincé dans un "embouteillage mécanique quantique" avec nulle part où aller, dit Davis. Sans électrons en mouvement, le matériau agit comme un isolant électrique "fortement corrélé".
La suppression de certains des électrons qui résident sur les atomes de cuivre entraîne des lacunes d'électrons appelées trous. Cela atténue l'embouteillage quantique de sorte que, lorsque le matériau est refroidi à une certaine température, des électrons alignés de manière opposée (partenaires magnétiques où le « spin » d'un électron pointe vers le haut et celui adjacent vers le bas) forment des paires puis deviennent libres de traverser le matériau sans entrave - un supraconducteur.
atomes de fer, qui ont un noyau avec une charge positive plus petite que le cuivre, exercer moins de traction sur les électrons en circulation. Donc, au lieu de remplir les orbitales électroniques, les électrons dans plusieurs orbitales d'énergie externes restent non appariés, pourtant alignés les uns avec les autres et électroniquement actifs. L'alignement d'électrons non appariés dans plusieurs orbitales confère au fer simple ses fortes propriétés magnétiques et métalliques, il est donc facile de comprendre pourquoi les composés de fer seraient de bons conducteurs. Mais on ne sait pas vraiment comment ils pourraient devenir des supraconducteurs à résistance nulle à haute température sans les fortes interactions qui créent un état isolant corrélé dans les matériaux à base de cuivre.
Pour résoudre cette énigme, les physiciens théoriciens ont commencé à envisager la possibilité que les électrons non appariés dans les différentes orbitales du fer puissent jouer des rôles très différents. Peut-être que des électrons non appariés dans une orbitale particulière pourraient s'apparier avec des électrons dans la même orbitale sur un atome adjacent pour transporter le supercourant, tandis que les électrons dans les autres orbitales fournissent l'isolant, magnétique, et propriétés métalliques.
"Le défi est de trouver un moyen de voir que certains des électrons sont supraconducteurs et certains sont isolants dans le même cristal, ", a déclaré Davis.
La supraconductivité à base de fer se produit dans des matériaux tels que le séléniure de fer (FeSe) qui contiennent des plans cristallins constitués d'un réseau carré d'atomes de fer (Fe), représenté ici. Dans ces couches de fer, chaque atome de Fe a deux nuages d'électrons actifs, ' ou orbitales--dxz (rouge) et dyz (bleu)--contenant chacune un électron. En visualisant directement les états électroniques dans les plans de fer de FeSe, les chercheurs ont révélé que les électrons dans les orbitales dxz (rouge) ne forment pas de paires de Cooper ou ne contribuent pas à la supraconductivité, mais forment à la place un état métallique incohérent le long de l'axe horizontal (x). En revanche, tous les électrons dans les orbitales dyz (bleu) forment de fortes paires de Cooper avec les atomes voisins pour générer de la supraconductivité. La recherche d'autres matériaux avec cet appariement exotique « orbital-sélectif » pourrait conduire à la découverte de nouveaux supraconducteurs. Crédit :Brookhaven Lab/Cornell U
La recherche publiée dans Science fournit la première preuve directe qu'un tel appariement d'électrons « orbital-sélectif » a lieu.
L'équipe théorique de ce projet-Andreas Kreisel (Université de Leipzig), Peter Hirschfeld (Université de Floride), et Brian Anderson (Université de Copenhague) ont défini les signatures électroniques qui devraient être associées à chaque orbitale sur les atomes de fer. Puis, les expérimentateurs Peter Sprau et Andrey Kostin (tous deux de Brookhaven Lab et de Cornell) ont utilisé un microscope à effet tunnel au Center for Emergent Superconductivity-a DOE Energy Frontier Research Center à Brookhaven Lab-pour mesurer l'énergie et la quantité de mouvement des électrons dans des échantillons de séléniure de fer qui ont été synthétisés par Anna Bohmer et Paul Canfield au laboratoire Ames du DOE. La comparaison des mesures avec les signatures électroniques prédites a permis aux scientifiques d'identifier quels électrons étaient associés à chaque orbitale.
Avec ces informations, "Nous pouvons mesurer l'énergie de liaison et la quantité de mouvement des électrons dans les 'paires de Cooper' responsables de la supraconductivité et identifier les caractéristiques de quantité d'énergie qu'ils possèdent - de quelle orbitale ils proviennent, ", a déclaré Davis.
"Nous avons pu montrer que presque tous les électrons des paires de Cooper dans le séléniure de fer provenaient d'une orbitale d'énergie inférieure particulière (l'orbitale d_yz), ", a déclaré Davis. Les résultats impliquent également que l'électron dans l'orbitale la plus externe du fer dans le séléniure de fer présente des propriétés pratiquement isolantes, tout comme il le fait dans les composés d'oxyde de cuivre.
« Parce que le séléniure de fer présente normalement une bonne conductivité métallique, comment saurait-on jamais que les électrons de cette orbitale agissent comme ils le sont dans des isolants corrélés ? Cet état à forte interaction et pratiquement isolant se cachait à la vue de tous !", a-t-il déclaré.
Avec cet état isolant orbital externe, le composé de fer a tout de même les mêmes exigences de supraconductivité que les oxydes de cuivre - une forte interaction magnétique (appariement haut/bas) des électrons presque localisés, et un état métallique qui permet à ces paires de se déplacer. La grande différence est que dans le séléniure de fer, ces contributions proviennent d'électrons différents dans trois orbitales actives distinctes, au lieu de l'électron unique dans une orbitale active en cuivre.
"Dans le fer, vous avez la conductivité gratuitement. Et vous avez le magnétisme gratuitement, mais c'est basé sur un électron différent. Les deux coexistent dans le même atome, " a dit Davis. Donc, une fois que vous avez des paires de Cooper, il semble qu'il n'y ait pas besoin d'ajouter des trous pour faire circuler le courant.
Cette prise de conscience pourrait élargir la recherche de nouveaux supraconducteurs pouvant potentiellement fonctionner dans des conditions plus chaudes. De tels supraconducteurs à haute température seraient plus pratiques pour le monde réel, applications d'économie d'énergie telles que les lignes électriques ou les dispositifs de stockage d'énergie.
"Au lieu de chercher de nouveaux isolants antiferromagnétiques à électron unique comme l'oxyde de cuivre pour fabriquer des supraconducteurs à haute température, peut-être devrions-nous rechercher de nouveaux hautement magnétiques, des matériaux métalliques qui ont des propriétés comme le fer mais dans un arrangement orbitalement sélectif, " a déclaré Davis. " Cela ouvre le monde de la science des matériaux à de nombreux nouveaux types de matériaux qui pourraient être des supraconducteurs à haute température. "
