Dans les matériaux supraconducteurs, les électrons s'apparient et se condensent dans un état quantique qui transporte le courant électrique sans perte. Cela se produit généralement à des températures très basses. Les scientifiques ont déployé tous leurs efforts pour développer de nouveaux types de supraconducteurs qui fonctionnent à une température proche de la température ambiante, ce qui permettrait d'économiser d'énormes quantités d'énergie et d'ouvrir une nouvelle voie pour la conception de l'électronique quantique. Pour y arriver, ils doivent découvrir ce qui déclenche cette forme de supraconductivité à haute température et comment y parvenir à la demande.

Maintenant, dans des études indépendantes rapportées dans Science et La nature , Des scientifiques du Laboratoire national d'accélération SLAC du Département de l'énergie et de l'Université de Stanford signalent deux avancées importantes :ils ont mesuré pour la première fois les vibrations collectives des électrons et ont montré comment les interactions collectives des électrons avec d'autres facteurs semblent stimuler la supraconductivité.

Réalisé avec différents matériaux à base de cuivre et avec différentes techniques de pointe, les expériences présentent de nouvelles approches pour étudier le fonctionnement des supraconducteurs non conventionnels.

"Essentiellement, ce que nous essayons de faire, c'est de comprendre ce qui fait un bon supraconducteur, " a déclaré le co-auteur Thomas Devereaux, professeur au SLAC et Stanford et directeur du SIMES, l'Institut de Stanford pour les sciences des matériaux et de l'énergie, dont les chercheurs ont mené les deux études.

« Quels sont les ingrédients qui pourraient donner naissance à la supraconductivité à des températures bien supérieures à ce qu'elles sont aujourd'hui ? il a dit. "Ces études et d'autres récentes indiquent que le réseau atomique joue un rôle important, nous donnant l'espoir que nous gagnons du terrain pour répondre à cette question."

Le casse-tête à haute température

Les supraconducteurs conventionnels ont été découverts en 1911, et les scientifiques savent comment ils fonctionnent :les électrons flottant librement sont attirés par le réseau d'atomes d'un matériau, qui a une charge positive, d'une manière qui leur permet de s'apparier et de circuler sous forme de courant électrique avec une efficacité de 100 %. Aujourd'hui, la technologie supraconductrice est utilisée dans les machines d'IRM, trains maglev et accélérateurs de particules.

Mais ces supraconducteurs ne fonctionnent que lorsqu'ils sont refroidis à des températures aussi froides que l'espace extra-atmosphérique. Ainsi, lorsque les scientifiques ont découvert en 1986 qu'une famille de matériaux à base de cuivre appelés cuprates peut supraconducteur à des niveaux beaucoup plus élevés, bien qu'encore assez frais, températures, ils étaient ravis.

La température de fonctionnement des cuprates n'a cessé d'augmenter depuis – le record actuel est d'environ 120 degrés Celsius en dessous du point de congélation de l'eau – alors que les scientifiques explorent un certain nombre de facteurs qui pourraient augmenter ou interférer avec leur supraconductivité. Mais il n'y a toujours pas de consensus sur le fonctionnement des cuprates.

"La question clé est de savoir comment pouvons-nous fabriquer tous ces électrons, qui se comportent comme des individus et ne veulent pas coopérer avec les autres, se condenser en un état collectif où toutes les parties participent et donner lieu à ce comportement collectif remarquable ?", a déclaré Zhi-Xun Shen, un professeur du SLAC/Stanford et un chercheur du SIMES qui ont participé aux deux études.

Coup de pouce dans les coulisses

L'une des nouvelles études, à la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford (SSRL) du SLAC, a examiné de manière systématique comment le "dopage" - l'ajout d'un produit chimique qui modifie la densité des électrons dans un matériau - affecte la supraconductivité et d'autres propriétés d'un cuprate appelé Bi2212.

Des chercheurs collaborateurs de l'Institut national des sciences et technologies industrielles avancées (AIST) au Japon ont préparé des échantillons du matériau avec des niveaux de dopage légèrement différents. Ensuite, une équipe dirigée par le chercheur du SIMES Yu He et le scientifique du personnel de SSRL Makoto Hashimoto ont examiné les échantillons à SSRL avec une spectroscopie de photoémission à résolution angulaire, ou ARPES. Il utilise un puissant faisceau de rayons X pour expulser des électrons individuels d'un échantillon afin que leur quantité de mouvement et leur énergie puissent être mesurées. Cela révèle ce que font les électrons dans le matériau.

Dans ce cas, à mesure que le niveau de dopage augmentait, la température supraconductrice maximale du matériau a atteint un pic et est retombé, Il a dit.

L'équipe s'est concentrée sur des échantillons aux propriétés supraconductrices particulièrement robustes. Ils ont découvert que trois effets entrelacés - les interactions des électrons entre eux, avec les vibrations du réseau et avec la supraconductivité elle-même - se renforcent mutuellement dans une boucle de rétroaction positive lorsque les conditions sont réunies, augmenter la supraconductivité et élever la température supraconductrice du matériau.

De petits changements dans le dopage ont produit de grands changements dans la supraconductivité et dans l'interaction des électrons avec les vibrations du réseau, dit Devereaux. La prochaine étape consiste à comprendre pourquoi ce niveau particulier de dopage est si important.

"Une théorie populaire a été que plutôt que le réseau atomique étant la source de l'appariement des électrons, comme dans les supraconducteurs conventionnels, les électrons dans les supraconducteurs à haute température forment à eux seuls une sorte de conspiration. C'est ce qu'on appelle la corrélation électronique, " Yu He dit. " Par exemple, si tu avais une pièce pleine d'électrons, ils s'étaleraient. Mais si certains d'entre eux demandent plus d'espace individuel, d'autres devront se serrer plus près pour les accueillir."

Dans cette étude, Il a dit, "Ce que nous trouvons, c'est que le treillis a un rôle en coulisse après tout, et nous avons peut-être négligé un ingrédient important pour la supraconductivité à haute température au cours des trois dernières décennies, " une conclusion qui rejoint les résultats de recherches antérieures du groupe SIMES.

Electron 'Ondes sonores'

L'autre étude, réalisée à l'Installation européenne de rayonnement synchrotron (ESRF) en France, utilisé une technique appelée diffusion inélastique résonante des rayons X, ou RIXS, observer le comportement collectif des électrons dans des cuprates en couches appelés LCCO et NCCO.

RIXS excite les électrons au plus profond des atomes avec des rayons X, puis mesure la lumière qu'ils dégagent lorsqu'ils se réinstallent dans leurs emplacements d'origine.

Autrefois, la plupart des études se sont concentrées uniquement sur le comportement des électrons dans une seule couche de matériau cuprate, où les électrons sont connus pour être beaucoup plus mobiles qu'ils ne le sont entre les couches, a déclaré Wei-Sheng Lee, scientifique du SIMES. Il a dirigé l'étude avec Matthias Hepting, qui est maintenant à l'Institut Max Planck pour la recherche sur l'état solide en Allemagne.

Mais dans ce cas, l'équipe voulait tester une idée avancée par les théoriciens - que l'énergie générée par les électrons dans une couche repoussant les électrons dans la suivante joue un rôle essentiel dans la formation de l'état supraconducteur.

Lorsqu'il est excité par la lumière, cette énergie de répulsion conduit les électrons à former une onde sonore distinctive connue sous le nom de plasmon acoustique, ce que les théoriciens prédisent pourrait expliquer jusqu'à 20 pour cent de l'augmentation de la température supraconductrice observée dans les cuprates.

Avec la dernière technologie RIXS, l'équipe SIMES a pu observer et mesurer ces plasmons acoustiques.

« Ici, nous voyons pour la première fois comment les plasmons acoustiques se propagent à travers tout le réseau, " a déclaré Lee. " Bien que cela ne règle pas la question de savoir d'où vient l'énergie nécessaire pour former l'état supraconducteur, cela nous dit que la structure en couches elle-même affecte le comportement des électrons de manière très profonde."

Cette observation ouvre la voie à de futures études qui manipulent les ondes sonores avec la lumière, par exemple, d'une manière qui améliore la supraconductivité, dit Lee. Les résultats sont également pertinents pour le développement de la future technologie plasmonique, il a dit, avec une gamme d'applications allant des capteurs aux dispositifs photoniques et électroniques pour les communications.