Les chercheurs de l'Université Rice ont utilisé des expériences et des simulations pour découvrir de petites distorsions dans le réseau d'un pnictide de fer qui devient supraconducteur à des températures ultrafroides. Ils soupçonnent que ces distorsions introduisent des poches de supraconductivité dans le matériau au-dessus des températures auxquelles il devient entièrement supraconducteur. Crédit :Weiyi Wang/Université du riz
Il y a une perturbation littérale dans la force qui modifie ce que les physiciens ont longtemps considéré comme une caractéristique de la supraconductivité, selon les scientifiques de l'Université Rice.
Les physiciens du riz Pengcheng Dai et Andriy Nevidomskyy et leurs collègues ont utilisé des simulations et des expériences de diffusion de neutrons qui montrent la structure atomique des matériaux pour révéler de minuscules distorsions du réseau cristallin dans un composé dit de fer pnictide de sodium, fer à repasser, nickel et arsenic.
Ces distorsions locales ont été observées dans l'ordre atomique par ailleurs symétrique dans le matériau à des températures ultrafroides proches du point de supraconductivité optimale. Ils indiquent que les chercheurs peuvent avoir une certaine marge de manœuvre lorsqu'ils travaillent à augmenter la température à laquelle les pnictides de fer deviennent des supraconducteurs.
La découverte rapportée cette semaine dans Communication Nature est le résultat de près de deux ans de travail de l'équipe Rice et de ses collaborateurs aux États-Unis, Allemagne et Chine.
Dai et Nevidomskyy, tous deux membres du Rice Center for Quantum Materials (RCQM), s'intéressent aux processus fondamentaux qui donnent naissance à de nouveaux phénomènes collectifs comme la supraconductivité, qui permet aux matériaux de transmettre le courant électrique sans résistance.
Les scientifiques ont découvert à l'origine une supraconductivité à des températures ultrafroides qui permet aux atomes de coopérer d'une manière qui n'est pas possible à température ambiante. Même les supraconducteurs "haute température" connus plafonnent à 134 Kelvin à pression ambiante, équivalent à moins 218 degrés Fahrenheit.
Donc, s'il y a un espoir pour une utilisation pratique généralisée de la supraconductivité, les scientifiques doivent trouver des failles dans la physique fondamentale du comportement des atomes et de leurs constituants dans diverses conditions.
C'est ce que les chercheurs de Rice ont fait avec le pnictide de fer, un "supraconducteur non conventionnel" de sodium, fer et arsenic, surtout lorsqu'il est dopé au nickel.
Pour rendre n'importe quel matériau supraconducteur, il doit être refroidi. Cela l'envoie à travers trois transitions :d'abord, une transition de phase structurelle qui modifie le réseau ; seconde, une transition magnétique qui semble transformer les matériaux paramagnétiques en antiferromagnétiques dans lesquels les spins des atomes s'alignent dans des directions alternatives ; et troisième, le passage à la supraconductivité. Parfois, les première et deuxième phases sont presque simultanées, selon la matière.
Dans la plupart des supraconducteurs non conventionnels, chaque étape est essentielle à la suivante car les électrons du système commencent à se lier en paires de Cooper, atteindre un pic de corrélation à un point critique quantique, le point auquel l'ordre magnétique est supprimé et la supraconductivité apparaît.
Ces monocristaux de composés de sodium dopés au nickel, le fer et l'arsenic sont comme ceux utilisés par les chercheurs de l'Université Rice dans des expériences pour déterminer les propriétés supraconductrices du matériau à des températures ultrafroides. Ils ont utilisé des simulations et des expériences précises de diffusion de neutrons pour montrer la présence de minuscules distorsions de réseau proches de la supraconductivité optimale d'un composé de pnictide de fer. Crédit :Université Rice
Mais dans le supraconducteur pnictide, les chercheurs ont trouvé que la première transition est un peu floue, car une partie du réseau a acquis une propriété connue sous le nom de phase nématique. Nematic est tiré du mot grec pour "filaire" et s'apparente à la physique des cristaux liquides qui s'alignent en réaction à une force extérieure.
La clé de la supraconductivité du matériau semble résider dans une propriété subtile propre aux pnictides de fer :une transition structurelle dans son réseau cristallin, l'arrangement ordonné de ses atomes, de tétragonal à orthorhombique. Dans un cristal tétragonal, les atomes sont disposés comme des cubes qui ont été étirés dans une direction. Une structure orthorhombique a la forme d'une brique.
Les cristaux de pnictide de sodium-fer-arsenic sont connus pour être tétragonaux jusqu'à ce qu'ils soient refroidis à une température de transition qui force le réseau à devenir orthorhombique, une étape vers la supraconductivité qui apparaît à des températures plus basses. Mais les chercheurs de Rice ont été surpris de voir des régions orthorhombiques anormales bien au-dessus de cette température de transition structurelle. Cela s'est produit dans des échantillons peu dopés au nickel et a persisté lorsque les matériaux étaient sur-dopés, ils ont rapporté.
« Dans la phase tétragonale, les directions (carrées) A et B du réseau sont absolument égales, " dit Dai, qui a effectué des expériences de diffusion de neutrons pour caractériser le matériau au laboratoire national d'Oak Ridge, le National Institute of Standards and Technology Center for Neutron Research et la Research Neutron Source du Heinz Maier-Leibnitz Center.
"Quand tu te refroidis, il devient initialement orthorhombique, ce qui signifie que le réseau s'effondre spontanément dans un axe, et pourtant il n'y a toujours pas d'ordre magnétique. Nous avons trouvé qu'en mesurant très précisément ce paramètre de réseau et sa distorsion en fonction de la température, nous avons pu dire comment le réseau change en fonction de la température dans le régime tétragonal paramagnétique."
Ils ont été surpris de voir des poches d'une phase nématique supraconductrice biaiser le réseau vers la forme orthorhombique même au-dessus de la première transition.
"L'ensemble de l'article suggère qu'il existe des distorsions locales qui apparaissent à une température à laquelle le système, en principe, doit être tétragonal, " a déclaré Dai. "Ces distorsions locales ne changent pas seulement en fonction de la température, mais en fait elles "savent" la supraconductivité. Puis, leur dépendance à la température change à une supraconductivité optimale, ce qui suggère que le système a un point critique quantique nématique, lorsque les phases nématiques locales sont supprimées.
"Essentiellement, il vous dit que cet ordre nématique est en compétition avec la supraconductivité elle-même, " dit-il. " Mais cela suggère que la fluctuation nématique peut également aider la supraconductivité, car cela modifie la dépendance à la température autour d'un dopage optimal."
Pouvoir manipuler ce point de dopage optimal peut donner aux chercheurs une meilleure capacité à concevoir des matériaux dotés de propriétés nouvelles et prévisibles.
"Les fluctuations nématiques électroniques deviennent très importantes au voisinage du point critique quantique, et ils sont épinglés par des imperfections et des impuretés cristallines locales, se manifestant dans les distorsions locales que nous mesurons, " dit Nevidomskyy, qui a dirigé la partie théorique de l'enquête. "L'aspect le plus intrigant est que la supraconductivité est la plus forte lorsque cela se produit, suggérant que ces fluctuations nématiques jouent un rôle dans sa formation."
