Une équipe de scientifiques a détecté un état caché d'ordre électronique dans un matériau en couches contenant du lanthane, baryum, le cuivre, et l'oxygène (LBCO). Lorsqu'il est refroidi à une certaine température et avec certaines concentrations de baryum, LBCO est connu pour conduire l'électricité sans résistance, mais maintenant, il est prouvé qu'un état supraconducteur se produit également au-dessus de cette température. Il s'agissait simplement d'utiliser le bon outil - dans ce cas, des impulsions de lumière infrarouge à haute intensité pour pouvoir le voir.

Rapporté dans un article publié dans le numéro du 2 février de Science , la découverte de l'équipe fournit un aperçu supplémentaire du mystère de plusieurs décennies de la supraconductivité dans le LBCO et des composés similaires contenant des couches de cuivre et d'oxygène prises en sandwich entre d'autres éléments. Ces « cuprates » deviennent supraconducteurs à des températures relativement plus élevées que les supraconducteurs traditionnels, qui doivent être congelés à près du zéro absolu (moins 459 degrés Fahrenheit) avant que leurs électrons puissent les traverser avec une efficacité de 100 %. Comprendre pourquoi les cuprates se comportent comme ils le font pourrait aider les scientifiques à concevoir de meilleurs supraconducteurs à haute température, éliminer le coût des systèmes de refroidissement coûteux et améliorer l'efficacité de la production d'électricité, transmission, et diffusion. Imaginez des ordinateurs qui ne chauffent jamais et des réseaux électriques qui ne perdent jamais d'énergie.

"Le but ultime est d'atteindre la supraconductivité à température ambiante, " a déclaré John Tranquada, physicien et chef du groupe de diffusion de neutrons au sein du département de physique de la matière condensée et des sciences des matériaux du laboratoire national de Brookhaven du département de l'Énergie des États-Unis (DOE), où il étudie les cuprates depuis les années 1980. "Si nous voulons le faire par conception, nous devons déterminer quelles caractéristiques sont essentielles pour la supraconductivité. Démêler ces caractéristiques dans des matériaux aussi compliqués que les cuprates n'est pas une tâche facile."

Les plans cuivre-oxygène du LBCO contiennent des "bandes" de charge électrique séparées par un type de magnétisme dans lequel les électrons tournent alternativement dans des directions opposées. Pour que LBCO devienne supraconducteur, les électrons individuels de ces bandes doivent pouvoir s'apparier et se déplacer à l'unisson dans tout le matériau.

Des expériences antérieures ont montré que, au-dessus de la température à laquelle le LBCO devient supraconducteur, la résistance se produit lorsque le transport électrique est perpendiculaire aux plans mais est nul lorsque le transport est parallèle. Les théoriciens ont proposé que ce phénomène pourrait être la conséquence d'une modulation spatiale inhabituelle de la supraconductivité, avec l'amplitude de l'état supraconducteur oscillant du positif au négatif lors du passage d'une bande de charge à la suivante. Le motif à rayures pivote de 90 degrés d'un calque à l'autre, et ils pensaient que cette orientation relative empêchait les paires d'électrons supraconducteurs de se déplacer de manière cohérente entre les couches.

"Cette idée est similaire au passage de la lumière à travers une paire de polariseurs optiques, comme les verres de certaines lunettes de soleil, " dit Tranquada. " Quand les polariseurs ont la même orientation, ils passent la lumière, mais lorsque leur orientation relative est tournée à 90 degrés, ils bloquent toute lumière."

Cependant, un test expérimental direct de cette image avait manqué jusqu'à présent.

L'un des défis consiste à synthétiser les grandes, monocristaux de haute qualité de LBCO nécessaires pour mener des expériences. "Il faut deux mois pour faire pousser un cristal, et le processus nécessite un contrôle précis de la température, atmosphère, composition chimique, et d'autres conditions, " a déclaré le co-auteur Genda Gu, un physicien dans le groupe de Tranquada. Gu a utilisé un four à image infrarouge - une machine avec deux lampes lumineuses qui focalisent la lumière infrarouge sur une tige cylindrique contenant le matériau de départ, le chauffant à près de 2500 degrés Fahrenheit et le faisant fondre dans son laboratoire de croissance cristalline pour faire croître les cristaux de LBCO.

Des collaborateurs du Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter et de l'Université d'Oxford ont ensuite dirigé la lumière infrarouge, généré à partir d'impulsions laser de haute intensité, au niveau des cristaux (avec la polarisation de la lumière dans une direction perpendiculaire aux plans) et mesuré l'intensité de la lumière réfléchie par l'échantillon. Outre la réponse habituelle - les cristaux reflétaient la même fréquence de lumière qui était envoyée - les scientifiques ont détecté un signal trois fois plus élevé que la fréquence de cette lumière incidente.

"Pour les échantillons à supraconductivité tridimensionnelle, la signature supraconductrice est visible à la fois à la fréquence fondamentale et à la troisième harmonique, " a déclaré Tranquada. "Pour un échantillon dans lequel des bandes de charge bloquent le courant supraconducteur entre les couches, il n'y a pas de signature optique à la fréquence fondamentale. Cependant, en déséquilibrant le système avec la lumière infrarouge intense, les scientifiques ont induit un couplage net entre les couches, et la signature supraconductrice apparaît dans le troisième harmonique. Nous avions soupçonné que l'appariement des électrons était présent - il fallait juste un outil plus puissant pour mettre en lumière cette supraconductivité."

Les théoriciens de l'Université de Hambourg ont soutenu cette observation expérimentale avec des analyses et des simulations numériques de la réflectivité.

Cette recherche fournit une nouvelle technique pour sonder différents types d'ordres électroniques dans les supraconducteurs à haute température, et la nouvelle compréhension peut être utile pour expliquer d'autres comportements étranges dans les cuprates.