Manipuler le flux d'énergie à travers les supraconducteurs pourrait transformer radicalement la technologie, menant peut-être à des applications telles que l'ultra-rapide, ordinateurs quantiques très efficaces. Mais ces dynamiques subtiles, y compris la dispersion de la chaleur, se déroulent à une vitesse absurde à travers des structures subatomiques vertigineuses.

Maintenant, les scientifiques ont suivi des interactions inédites entre les électrons et la structure du réseau cristallin des supraconducteurs à base d'oxyde de cuivre. La complicité, dirigé par des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), atteint une précision de mesure plus rapide qu'un trillionième de seconde grâce à une combinaison révolutionnaire de techniques expérimentales.

"Cette percée offre directement, un aperçu fondamental des caractéristiques déroutantes de ces matériaux remarquables, " a déclaré Yimei Zhu, scientifique du Brookhaven Lab, qui a dirigé la recherche. "Nous avions déjà des preuves de l'impact des vibrations du réseau sur l'activité des électrons et de la dispersion de la chaleur, mais tout se faisait par déduction. Maintenant, finalement, nous pouvons le voir directement."

Les résultats, publié le 27 avril dans la revue Avancées scientifiques , pourrait faire avancer la recherche sur les puissants, phénomènes éphémères trouvés dans les oxydes de cuivre, y compris la supraconductivité à haute température, et aident les scientifiques à concevoir de nouveaux, des matériaux plus performants.

"Nous avons trouvé un paysage atomique nuancé, où certaines hautes fréquences, les vibrations « chaudes » dans le supraconducteur absorbent rapidement l'énergie des électrons et augmentent en intensité, " a déclaré le premier auteur Tatiana Konstantinova, un doctorat étudiante à Stony Brook University faisant son travail de thèse au Brookhaven Lab. "Autres sections du treillis, cependant, ont été lents à réagir. Voir ce type d'interaction à plusieurs niveaux transforme notre compréhension des oxydes de cuivre."

Les scientifiques ont utilisé la diffraction électronique ultra-rapide et la spectroscopie de photoémission pour observer les changements d'énergie et de quantité de mouvement des électrons ainsi que les fluctuations de la structure atomique.

Parmi les autres institutions collaboratrices, citons le SLAC National Accelerator Laboratory, Université d'État de Caroline du Nord, Université de Georgetown, et l'Université de Duisburg-Essen en Allemagne.

Vibrations à travers un arbre cristallin

L'équipe a choisi Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 , un oxyde de cuivre supraconducteur bien connu qui présente les interactions fortes au cœur de l'étude. Même à des températures proches du zéro absolu, le réseau atomique cristallin vibre et de très légères impulsions d'énergie peuvent faire augmenter l'amplitude des vibrations.

"Ces vibrations atomiques sont enrégimentées et discrètes, ce qui signifie qu'ils se divisent sur des fréquences spécifiques, " a déclaré Zhu. "Nous appelons les vibrations avec des fréquences spécifiques 'phonons, ' et leurs interactions avec les électrons en circulation étaient notre cible."

Ce système d'interactions est un peu comme la distribution de l'eau à travers un arbre, Konstantinova a expliqué. Exposé à la pluie, seules les racines peuvent absorber l'eau avant de la répandre dans le tronc et dans les branches.

"Ici, l'eau est comme l'énergie, pleuvoir sur la structure de ramification du supraconducteur, et le sol est comme nos électrons, " a déclaré Konstantinova. "Mais ces électrons n'interagiront qu'avec certains phonons, lequel, à son tour, redistribuer l'énergie. Ces phonons sont comme le caché, des « racines » hautement interactives que nous devions détecter. »

Instantanés atomiques pilotés par faisceau

Les atomes fléchissent et se déplacent sur des échelles de temps extrêmement rapides - pensez à 100 femtosecondes, ou des millions de milliardièmes de seconde - et ces mouvements doivent être identifiés pour comprendre leur effet. Et, idéalement, disséquer et manipuler ces interactions.

L'équipe a utilisé un produit sur mesure, composé stratifié à base de bismuth, qui peut être clivé en échantillons de 100 nanomètres grâce à l'application relativement simple de scotch.

Le matériau a ensuite été testé à l'aide de la technique dite « pompe-sonde » de diffraction ultrarapide des électrons au million d'électrons-volts (MeV-UED). Comme dans des expériences similaires résolues en temps, une impulsion lumineuse rapide (pompe) a frappé l'échantillon, ne dure que 100 femtosecondes et dépose de l'énergie. Un faisceau d'électrons a suivi, rebondi sur le réseau cristallin, et un détecteur a mesuré son diagramme de diffraction. La répétition de ce processus, comme une série d'instantanés atomiques, a révélé la rapidité, changement subtil des vibrations atomiques au fil du temps.

Après les premières expériences MeV-UED au Brookhaven Lab, la collecte de données s'est déroulée dans l'installation UED du SLAC National Accelerator Laboratory lors du déménagement de l'instrument de Brookhaven dans un autre bâtiment. Collègues de l'installation SLAC UED, dirigé par Xijie Wang, assisté à l'expérimentation.

La diffraction électronique, cependant, n'a fourni que la moitié de l'image. En utilisant la spectroscopie de photoémission résolue en temps et en angle (tr-ARPES), l'équipe a suivi les changements d'électrons dans le matériau. Un premier laser a frappé l'échantillon et un second a rapidement suivi, toujours avec une précision de 100 femtosecondes, pour faire décoller les électrons de la surface. La détection de ces électrons volants a révélé des changements au fil du temps à la fois de l'énergie et de la quantité de mouvement.

Les expériences tr-ARPES ont été menées dans l'installation de l'Université Duisburg-Essen par les scientifiques du Brookhaven Lab, Jonathan Rameau et Peter Johnson et leurs collègues allemands. Des scientifiques de l'Université d'État de Caroline du Nord et de l'Université de Georgetown ont fourni un soutien théorique.

"Les deux techniques expérimentales sont plutôt sophistiquées et nécessitent les efforts d'experts dans de multiples disciplines, de l'optique laser aux accélérateurs et à la physique de la matière condensée, " a déclaré Konstantinova. " Le calibre des instruments et la qualité de l'échantillon nous ont permis de distinguer les différents types de vibrations du réseau. "

L'équipe a montré que les vibrations atomiques évidentes dans les interactions électron-réseau sont variées et, à certains égards, contre-intuitif.

Lorsque le réseau absorbe l'énergie des électrons, l'amplitude des phonons à haute fréquence augmente en premier tandis que les vibrations à plus basse fréquence augmentent en dernier. Les différents taux de flux d'énergie entre les vibrations signifient que l'échantillon, lorsqu'il est soumis à une rafale de photons, passe par de nouvelles étapes qui seraient contournées s'il était simplement exposé à la chaleur.

"Nos données guident les nouvelles descriptions quantitatives du comportement hors équilibre dans les systèmes complexes, " a déclaré Konstantinova. " L'approche expérimentale s'applique facilement à d'autres matériaux passionnants où les interactions électron-réseau sont d'un intérêt majeur. "