La surface de Fermi, ou l'état occupé le plus élevé dans la structure électronique, permet de déterminer directement le niveau de dopage. Cette image montre la surface de Fermi du très surdopé, BSCCO non supraconducteur où les trous ont été ajoutés dans le matériau par exposition à l'ozone. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Les scientifiques cartographiant les caractéristiques quantiques des supraconducteurs, des matériaux qui conduisent l'électricité sans perte d'énergie, sont entrés dans un nouveau régime. À l'aide d'outils nouvellement connectés nommés OASIS au laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie, ils ont découvert des détails auparavant inaccessibles du "diagramme de phase" de l'un des supraconducteurs "haute température" les plus étudiés. Les données nouvellement cartographiées incluent des signaux de ce qui se passe lorsque la supraconductivité disparaît.
"En termes de supraconductivité, cela peut sembler mauvais, mais si vous étudiez un phénomène, il est toujours bon de pouvoir l'aborder depuis son origine, " a déclaré la physicienne de Brookhaven Tonica Valla, qui a dirigé l'étude qui vient d'être publiée dans la revue Communication Nature . "Si vous avez la chance de voir comment la supraconductivité disparaît, cela pourrait à son tour donner un aperçu de ce qui cause la supraconductivité en premier lieu."
Percer les secrets de la supraconductivité est très prometteur pour relever les défis énergétiques. Des matériaux capables de transporter du courant sur de longues distances sans perte révolutionneraient la transmission de puissance, éliminer le besoin de refroidir les centres de données remplis d'ordinateurs, et conduire à de nouvelles formes de stockage d'énergie, par exemple. Le hic c'est que, maintenant, supraconducteurs les plus connus, même les variétés "hautes températures", doivent eux-mêmes être gardés très froids pour effectuer leur magie de transport de courant. Donc, les scientifiques ont essayé de comprendre les caractéristiques clés qui provoquent la supraconductivité dans ces matériaux dans le but de découvrir ou de créer de nouveaux matériaux capables de fonctionner à des températures plus pratiques pour ces applications quotidiennes.
L'équipe de Brookhaven étudiait un supraconducteur à haute température bien connu composé de couches comprenant de l'oxyde de bismuth, oxyde de strontium, calcium, et l'oxyde de cuivre (en abrégé BSCCO). Le clivage des cristaux de ce matériau crée des surfaces d'oxyde de bismuth immaculées. Lorsqu'ils ont analysé la structure électronique de la surface clivée immaculée, ils ont vu des signes révélateurs de supraconductivité à une température de transition (Tc) de 94 Kelvin (-179 degrés Celsius), la température la plus élevée à laquelle la supraconductivité s'installe pour ce matériau bien étudié.
L'équipe a ensuite chauffé des échantillons dans de l'ozone (O3) et a découvert qu'ils pouvaient atteindre des niveaux de dopage élevés et explorer des parties auparavant inexplorées du diagramme de phase de ce matériau, qui est un graphique semblable à une carte montrant comment le matériau change ses propriétés à différentes températures dans différentes conditions (de la même manière que vous pouvez cartographier les coordonnées de température et de pression auxquelles l'eau liquide gèle lorsqu'elle est refroidie, ou se transforme en vapeur lorsqu'il est chauffé). Dans ce cas, la variable qui intéressait les scientifiques était le nombre de postes vacants, ou "trous, " ont été ajoutés, ou "dopé" dans le matériau par l'exposition à l'ozone. Les trous facilitent la circulation du courant en donnant aux charges (électrons) un endroit où aller.
"Pour ce matériel, si vous commencez avec le cristal du composé "parent", qui est un isolant (c'est-à-dire pas de conductivité), l'introduction de trous entraîne la supraconductivité, " dit Valla. Au fur et à mesure que de nouveaux trous sont ajoutés, la supraconductivité devient plus forte et à des températures plus élevées jusqu'à un maximum à 94 Kelvin, il expliqua. "Puis, avec plus de trous, le matériau devient "sur-dopé, ' et Tc descend - pour ce matériau, à 50 K.
Ce diagramme de phase pour BSCCO trace la température (T, en degrés Kelvin, sur l'axe des y) à laquelle la supraconductivité s'installe comme de plus en plus de lacunes de charge, ou "trous, " sont dopés dans le matériau (horizontal, axe x). Du côté sous-dopé du "dôme" (à gauche), à mesure que plus de trous sont ajoutés, le tempéré de transition augmente jusqu'à un maximum de 94 K, mais comme plus de trous sont ajoutés, la température de transition chute. La ligne pointillée rouge représente la dépendance précédemment supposée de la supraconductivité "dôme, " tandis que la ligne noire représente la dépendance correcte, obtenus à partir des nouvelles données (points noirs). C'était la première fois que les scientifiques étaient capables de créer des échantillons fortement surdopés, leur permettant d'explorer la partie du diagramme de phase ombrée en jaune où la supraconductivité disparaît. Le suivi de la disparition peut les aider à comprendre ce qui provoque la supraconductivité en premier lieu. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
« Jusqu'à cette étude, rien au-delà de ce point n'était connu car nous ne pouvions pas obtenir de cristaux dopés au-dessus de ce niveau. Mais nos nouvelles données nous amènent à un point de dopage bien au-delà de la limite précédente, à un point où Tc n'est pas mesurable."
dit Valla, "Cela signifie que nous pouvons maintenant explorer toute la courbe en forme de dôme de la supraconductivité dans ce matériau, ce qui est quelque chose que personne n'a été capable de faire avant."
L'équipe a créé des échantillons chauffés sous vide (pour produire un matériau sous-dopé) et dans de l'ozone (pour fabriquer des échantillons surdopés) et a tracé des points le long de l'ensemble du dôme supraconducteur. Ils ont découvert des caractéristiques intéressantes dans la « face cachée » jusque-là inexplorée du diagramme de phase.
"Ce que nous avons vu, c'est que les choses deviennent beaucoup plus simples, ", a déclaré Valla. Certaines des caractéristiques les plus étranges qui existent du côté bien exploré de la carte et compliquent la compréhension des scientifiques de la supraconductivité à haute température - des choses comme une "pseudogap" dans la signature électronique, et les variations du spin des particules et des densités de charge - disparaissent du côté éloigné surdopé du dôme.
Les physiciennes du Brookhaven Lab, Tonica Valla et Ilya Drozdov, dans le laboratoire OASIS du Brookhaven National Laboratory. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
"Ce côté du diagramme de phase est un peu comme ce que nous nous attendons à voir dans la supraconductivité plus conventionnelle, " Valla dit, se référant aux plus anciens supraconducteurs à base de métal connus.
"Quand la supraconductivité est libre de ces autres choses qui compliquent le tableau, alors ce qui reste est la supraconductivité qui n'est peut-être pas si peu conventionnelle, " ajouta-t-il. " Nous ne connaissons peut-être pas encore son origine, mais de ce côté du diagramme de phase, cela ressemble à quelque chose que la théorie peut gérer plus facilement, et cela vous donne une façon plus simple d'examiner le problème pour essayer de comprendre ce qui se passe."
