Une théorie de 2017 proposée par des physiciens de l'Université Rice pour expliquer le comportement contradictoire d'un supraconducteur à haute température à base de fer aide à résoudre un casse-tête dans un type différent de supraconducteur non conventionnel, le composé « fermion lourd » connu sous le nom de CeCu 2 Si 2 .

Une équipe internationale des États-Unis, Chine, L'Allemagne et le Canada ont rapporté les résultats cette semaine dans le Actes de l'Académie nationale des sciences (PNAS). L'étude a porté sur un cérium, composite de cuivre et de silicium dont l'étrange comportement en 1979 a permis d'inaugurer le domaine multidisciplinaire des matériaux quantiques.

Cette année, une équipe dirigée par Frank Steglich de l'Institut Max Planck, un co-auteur sur le PNAS papier, a trouvé que CeCu 2 Si 2 est devenu un supraconducteur à des températures extrêmement froides. Le mécanisme de la supraconductivité ne pouvait pas être expliqué par la théorie existante, et la découverte était si inattendue et inhabituelle que de nombreux physiciens ont d'abord refusé de l'accepter. La découverte en 1986 de la supraconductivité à des températures encore plus élevées dans les céramiques de cuivre a cristallisé l'intérêt pour le domaine et a dominé la carrière de physiciens théoriciens comme Qimiao Si de Rice, une PNAS co-auteur de l'étude et professeur de physique et d'astronomie Harry C. et Olga K. Wiess.

Si, dont la collaboration de plusieurs décennies avec Steglich a conduit à près de deux douzaines d'études évaluées par des pairs, mentionné, "Dans mes rêves les plus fous, Je n'avais pas pensé que la théorie que nous avons proposée pour les supraconducteurs à base de fer reviendrait à l'autre partie de ma vie, qui sont les supraconducteurs à fermions lourds."

Fermions lourds, comme les supraconducteurs à haute température, sont ce que les physiciens appellent les matériaux quantiques en raison du rôle clé que les forces quantiques jouent dans leur comportement. Dans les supraconducteurs à haute température, par exemple, les électrons forment des paires et circulent sans résistance à des températures considérablement plus élevées que celles nécessaires à la supraconductivité conventionnelle. Dans les fermions lourds, les électrons semblent être des milliers de fois plus massifs qu'ils ne le devraient.

En 2001, Si, qui dirige également le Rice Center for Quantum Materials (RCQM), a proposé une théorie pionnière selon laquelle ces phénomènes surviennent à des points de transition critiques, points de basculement où les changements de pression ou d'autres conditions entraînent une transition d'un état quantique à un autre. Au point de basculement, ou "point critique quantique, " Les électrons peuvent développer une sorte de dédoublement de la personnalité lorsqu'ils tentent de chevaucher la ligne entre les états.

Le cas de la supraconductivité illustre comment cela peut se produire. Dans un fil de cuivre normal, la résistance électrique apparaît lorsque les électrons qui circulent se bousculent et heurtent les atomes du fil. Chaque bosse coûte une petite quantité d'énergie, qui est perdu en chaleur. Dans les supraconducteurs, les électrons évitent cette perte en s'appariant et en circulant à l'unisson, sans aucune bosse.

Parce que les électrons sont parmi les particules subatomiques les plus antisociales, ils se repoussent et ne s'associent que dans des circonstances extraordinaires. Dans le cas des supraconducteurs conventionnels, de minuscules variations dans l'espacement entre les atomes dans un fil surfondu peuvent amadouer les électrons dans un mariage de convenance. Le mécanisme des supraconducteurs non conventionnels est différent.

"Notre compréhension unificatrice est que si deux électrons travaillent vraiment dur pour se repousser, il peut encore y avoir une force d'attraction, " dit Si. " Si je déménage parce que je n'aime pas être près de toi, et tu fais pareil, et pourtant nous ne pouvons pas être trop éloignés l'un de l'autre, ça devient une sorte de danse. Les paires dans les supraconducteurs à haute température se déplacent les unes par rapport aux autres, un peu comme deux partenaires de danse qui tournent, alors même qu'ils se déplacent ensemble sur la piste de danse."

La théorie de 2017 avancée par Si et alors étudiant diplômé Emilian Nica, maintenant associée de recherche postdoctorale au Quantum Materials Institute de l'Université de la Colombie-Britannique, a posé que l'appariement sélectif au sein des orbitales atomiques pourrait expliquer certains résultats expérimentaux déroutants de certains des supraconducteurs à plus haute température, séléniures de fer alcalin.

Certaines expériences avaient montré que les paires de séléniures alcalines de fer se comportaient comme si elles avaient un moment cinétique de zéro, auquel les physiciens se réfèrent avec le terme onde s, tandis que d'autres expériences ont indiqué que les paires avaient un moment angulaire de deux, que les physiciens appellent onde d. Cette différence est profonde car le moment angulaire est un identifiant fondamental pour les électrons. Tout comme les pommes et les oranges se trouvent dans différents bacs à l'épicerie, Les appariements s-wave et d-wave ne se mélangent pas et se retrouvent dans des matériaux différents.

"Ce que la thèse de Nica a introduit, c'est que vous pouvez avoir un état supraconducteur dans lequel les paires d'électrons associées à une orbitale d'une sous-couche sont très différentes de celles d'une autre orbitale étroitement liée dans la même sous-couche car elles ont un signe opposé, " dit Si.

"La raison pour laquelle nous avons proposé cet état d'appariement multi-orbital était que les mesures de certaines choses, comme les réponses magnétiques, montrerait que les séléniures de fer alcalin avaient des caractéristiques d'onde d canonique, et d'autres mesures, comme l'émission photo résolue angulairement, ont révélé des attributs associés aux supraconducteurs à ondes s.

"Les expériences dans le supraconducteur à base de fer avaient déjà été faites, et nous avons offert une explication, un état d'appariement à la fois stable et robuste, et pourtant avait toutes ces propriétés apparemment contradictoires qui ont été observées expérimentalement."

Quand les expériences de 2017 au Japon ont révélé des propriétés déroutantes du CeCu 2 Si 2 , Si a dit à Steglich que la théorie orbitale sélective pourrait être en mesure de les expliquer. Ensemble, ils se sont associés à l'équipe expérimentale du physicien Huiqiu Yuan, directeur adjoint du Center for Correlated Matter de l'Université du Zhejiang à Hangzhou, Chine, pour tester l'idée.

La théorie de Si et Nica a prédit que les expériences révéleraient un ensemble spécifique de mesures apparemment contradictoires de CeCu2Si2, à condition que le matériau puisse être refroidi à une température encore plus froide que le point de basculement qui entraîne la supraconductivité. Le groupe de Yuan a effectué les expériences et confirmé la prédiction.

"La preuve historique a toujours été que l'appariement dans ce matériau est d-wave, " dit Nica. " Mais les expériences ont confirmé qu'en effet, malgré toutes les preuves accablantes qu'il s'agit de l'onde d, il possède une caractéristique appelée « espaces complètement ouverts » qui est normalement associée aux supraconducteurs à ondes s. La nôtre est la seule théorie proposée à ce jour qui puisse expliquer cela. »

Si a dit, "C'est extrêmement satisfaisant à plusieurs niveaux. L'un est que si la physique de la matière condensée offre de nombreux matériaux qui peuvent héberger des propriétés fascinantes, nous recherchons finalement des principes fédérateurs, surtout en tant que théoriciens. Je recherche activement ces principes fédérateurs depuis des années, mais nous ne cherchions pas activement une explication unificatrice lorsque nous avons proposé cette théorie. Pour le voir appliqué, à cet effet, dans un autre cadre complètement inattendu a été une vraie surprise."