Une étude menée par des scientifiques du Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) du Center for Free-Electron Laser Science à Hambourg présente des preuves de la coexistence de la supraconductivité et des « ondes de densité de charge » dans les composés du famille peu étudiée des bismuthates. Cette observation ouvre de nouvelles perspectives pour une meilleure compréhension du phénomène de la supraconductivité à haute température, un sujet qui est au cœur de la recherche sur la matière condensée depuis plus de 30 ans. L'article de Nicoletti et al a été publié dans le PNAS .

Depuis le début du 20e siècle, la supraconductivité avait été observée dans certains métaux à des températures de quelques degrés seulement au-dessus du zéro absolu (moins 273 degrés Celsius). Seulement dans les années 1980, les physiciens ont réussi à synthétiser de nouvelles classes de composés, à base de matériaux céramiques, qui étaient capables de conduire l'électricité sans aucune perte à des températures aussi élevées que 138 K (moins 135 degrés Celsius). Ceux-ci ont été nommés « supraconducteurs à haute température ».

La famille de supraconducteurs à haute température la plus connue et la plus étudiée est celle des cuprates, qui affichent de loin les températures critiques les plus élevées (c'est-à-dire la température en dessous de laquelle se produit la supraconductivité), et sont donc les plus prometteuses pour les applications. Cependant, il existe une grande variété d'autres composés, qui manifestent également une supraconductivité à des températures assez élevées, parmi eux les pnictides de fer récemment découverts.

Une image universelle capable de décrire la physique derrière le phénomène de la supraconductivité à haute température fait toujours défaut. Cependant, un point commun important entre presque tous les supraconducteurs à haute température est l'émergence de la supraconductivité à proximité d'autres phases exotiques de la matière, telles que les "ondes de densité de charge". Tous ces matériaux peuvent être typiquement accordés d'une phase à l'autre, atteindre éventuellement la supraconductivité, par dopage chimique, pression extérieure, ou des champs magnétiques. Cependant, l'interrelation subtile de ces phases reste mal comprise, et dans certains cas, il existe des preuves que les ondes de densité de charge et la supraconductivité peuvent même coexister au microscope dans le même composé.

Dans de telles circonstances, des expériences réalisées en stimulant des matériaux avec des ultracourts, Il a été démontré dans le passé que des impulsions laser intenses (aussi courtes que quelques centaines de femtosecondes) fournissent de nouvelles informations sur la physique de ces systèmes. Par exemple, le groupe d'Andrea Cavalleri au MPSD à Hambourg a déjà démontré avec succès que, dans certains composés cuprates, de telles impulsions peuvent être utilisées pour éliminer les ondes de densité de charge et promouvoir la supraconductivité à des températures plus élevées, peut-être même jusqu'à température ambiante (W. Hu, Matériaux naturels , 13, 705-711 et R. Mankowsky, Nature 516 , 71-73).

Dans le travail present, Nicoletti, Cavalleri et ses collègues se sont concentrés sur différents composés, appartenant à la famille peu étudiée des bismuthates. Ces supraconducteurs ont été découverts dans les années 1970, avant même les cuprates, mais ils ont attiré moins l'attention en raison de leurs températures critiques beaucoup plus basses (environ 30 K). Ils partagent de nombreux points communs, mais aussi quelques différences avec leurs proches plus connus. En particulier, le soi-disant « composé parent », BaBiO(3), a une phase d'onde de densité de charge robuste, d'où émerge la supraconductivité par substitution chimique.

Cristaux de BaPb de haute qualité 1 fois BixO 3 , avec différentes concentrations de Pb "x", ont été synthétisés et caractérisés par Ian R. Fisher et P. Giraldo-Gallo à l'Université de Stanford, Californie. L'équipe de Hambourg a réalisé une série d'expériences sur ces cristaux, dans lequel ils ont photo-excité les matériaux avec des impulsions laser très courtes et intenses et mesuré comment leur conductivité a été transitoirement modifiée et relâchée à la valeur initiale en quelques picosecondes. En analysant la dépendance d'un tel signal sur la fréquence, Température, et concentration en plomb, ils pourraient l'attribuer uniquement à une modification de la phase d'onde de densité de charge induite par le champ laser.

"Étonnamment", dit Nicoletti, "nous avons pu mesurer cette réponse non seulement dans le composé parent BaBiO 3 , pour laquelle une onde de densité de charge est bien connue pour exister, mais aussi dans un composé supraconducteur dopé Pb. Cette observation est une démonstration indirecte de la coexistence des ondes de densité de charge et de la supraconductivité dans un même matériau, quelque chose qui a été discuté précédemment, mais jamais définitivement établi dans cette classe de matériaux".

Les scientifiques ont également pu déterminer avec précision les échelles d'énergie associées à la modification des ondes de densité de charge, fournissant ainsi de nouvelles informations sur leur interaction dynamique avec la supraconductivité dans les bismuthates.

Ces résultats sont particulièrement opportuns étant donné que des ondes de densité de charge ont récemment été trouvées dans plusieurs supraconducteurs cuprates, pointant vers une similitude surprenante entre certains aspects de ces matériaux. La présente expérience est un exemple supplémentaire de la façon dont la lumière peut être utilisée pour étudier, contrôler, et manipuler des matériaux complexes. L'un des objectifs ultimes de cette ligne de recherche est de fournir des conseils pour l'ingénierie des matériaux afin de développer de nouvelles fonctionnalités à des températures de plus en plus élevées.