Dans la technique RIXS, les rayons X intenses déposent de l'énergie dans les ondes électroniques des couches atomiquement minces de supraconducteurs à haute température. La différence d'énergie des rayons X avant et après l'interaction révèle des informations clés sur le comportement fondamental de ces matériaux passionnants et mystérieux. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Les supraconducteurs transportent l'électricité avec une efficacité parfaite, contrairement aux inévitables déchets inhérents aux conducteurs traditionnels comme le cuivre. Mais cette perfection se fait au prix d'un froid extrême - même la supraconductivité à haute température (HTS) n'émerge que bien en dessous de zéro degré Fahrenheit. Découvrir le mécanisme toujours insaisissable derrière HTS pourrait tout révolutionner, des réseaux électriques régionaux aux éoliennes.
Maintenant, une collaboration dirigée par le laboratoire national de Brookhaven du département de l'Énergie des États-Unis a découvert une panne surprenante dans les interactions d'électrons qui pourraient sous-tendre le HTS. Les scientifiques ont découvert qu'à mesure que la supraconductivité disparaît à des températures plus élevées, de puissantes vagues d'électrons commencent à se découpler curieusement et à se comporter de manière indépendante, comme des vagues océaniques se séparant et ondulant dans différentes directions.
"Pour la première fois, nous avons identifié ces interactions électroniques clés qui se produisent après la disparition de la supraconductivité, " a déclaré le premier auteur et associé de recherche au Brookhaven Lab, Hu Miao. " Le portrait est à la fois plus étrange et plus excitant que ce à quoi nous nous attendions, et il offre de nouvelles façons de comprendre et d'exploiter potentiellement ces matériaux remarquables."
La nouvelle étude, publié le 7 novembre dans la revue PNAS , explore l'interaction déroutante entre deux propriétés quantiques clés des électrons :le spin et la charge.
"Nous savons que la charge et le spin se verrouillent ensemble et forment des ondes dans des oxydes de cuivre refroidis à des températures supraconductrices, ", a déclaré Mark Dean, auteur principal de l'étude et physicien du Brookhaven Lab. "Mais nous n'avions pas réalisé que ces ondes électroniques persistaient mais semblaient se découpler à des températures plus élevées."
Bandes et vagues électroniques
Les scientifiques du Brookhaven Lab ont découvert en 1995 que le spin et la charge peuvent se verrouiller ensemble et former des "rayures" modulées spatialement à basse température dans certains matériaux HTS. Autres matériaux, cependant, présentent des charges d'électrons corrélées qui se déroulent sous forme d'ondes de densité de charge qui semblent ignorer complètement le spin. Approfondir le mystère HTS, la charge et la rotation peuvent également abandonner l'indépendance et se relier.
« Le rôle de ces « bandes » et des ondes corrélées dans la supraconductivité à haute température est vivement débattu, " a déclaré Miao. "Certains éléments peuvent être essentiels ou juste une petite pièce du plus grand puzzle. Nous avions besoin d'une image plus claire de l'activité des électrons à travers les températures, en particulier les signaux fugaces à des températures plus chaudes."
Imaginez connaître la structure chimique précise de la glace, par exemple, mais n'ayant aucune idée de ce qui se passe lorsqu'il se transforme en liquide ou en vapeur. Avec ces supraconducteurs à l'oxyde de cuivre, ou cuprates, il y a un mystère comparable, mais caché dans des matériaux beaucoup plus complexes. Toujours, les scientifiques devaient essentiellement prélever un échantillon glacial et le réchauffer méticuleusement pour suivre exactement comment ses propriétés changent.
Des signaux subtils dans des matériaux sur mesure
L'équipe s'est tournée vers un matériel HTS bien établi, les oxydes de cuivre de lanthane-baryum (LBCO) connus pour leurs fortes formations de rayures. Le scientifique de Brookhaven Lab, Genda Gu, a minutieusement préparé les échantillons et personnalisé les configurations électroniques.
"Nous ne pouvons pas avoir d'anomalies structurelles ou d'atomes errants dans ces cuprates - ils doivent être parfaits, " a déclaré Dean. " Genda est parmi les meilleurs au monde pour créer ces matériaux, et nous avons la chance d'avoir son talent à portée de main."
A basse température, les signaux électroniques sont puissants et facilement détectés, ce qui explique en partie pourquoi leur découverte s'est produite il y a des décennies. Pour déceler les signaux les plus insaisissables à des températures plus élevées, l'équipe avait besoin d'une sensibilité sans précédent.
« Nous nous sommes tournés vers l'Installation européenne de rayonnement synchrotron (ESRF) en France pour les principaux travaux expérimentaux, ", a déclaré Miao. "Nos collègues exploitent une ligne de lumière qui ajuste soigneusement l'énergie des rayons X pour résonner avec des électrons spécifiques et détecter de minuscules changements dans leur comportement."
L'équipe a utilisé une technique appelée diffusion inélastique résonante des rayons X (RIXS) pour suivre la position et la charge des électrons. Un faisceau focalisé de rayons X frappe le matériau, dépose de l'énergie, puis rebondit sur les détecteurs. Ces rayons X diffusés portent la signature des électrons qu'ils heurtent en cours de route.
Au fur et à mesure que la température augmente dans les échantillons, provoquant l'affaiblissement de la supraconductivité, les ondes couplées de charge et de rotation ont commencé à se déverrouiller et à se déplacer indépendamment.
"Cela indique que leur couplage peut renforcer la formation de rayures, ou par le biais d'un mécanisme inconnu autoriser la supraconductivité à haute température, " a déclaré Miao. " Cela mérite certainement une exploration plus approfondie à travers d'autres matériaux pour voir à quel point ce phénomène est répandu. C'est une idée clé, certainement, mais il est trop tôt pour dire comment cela pourrait déverrouiller le mécanisme HTS."
Cette exploration plus poussée inclura des matériaux HTS supplémentaires ainsi que d'autres installations de synchrotron, notamment Brookhaven Lab's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), une installation utilisateur du DOE Office of Science.
"En utilisant de nouvelles lignes de lumière à NSLS-II, nous aurons la liberté de faire pivoter l'échantillon et de profiter d'une résolution énergétique nettement meilleure, " a déclaré Dean. "Cela nous donnera une image plus complète des corrélations d'électrons dans tout l'échantillon. Il y a beaucoup plus de découvertes à venir."
