Les supraconducteurs à haute température ont le potentiel de tout transformer, du transport d'électricité à la production d'électricité en passant par le transport.

Les matériaux, dans lequel les paires d'électrons se déplacent sans friction, ce qui signifie qu'aucune énergie n'est perdue lorsqu'elles se déplacent, pourraient considérablement améliorer l'efficacité énergétique des systèmes électriques.

Comprendre comment les électrons se déplacent à travers ces matériaux complexes pourrait finalement aider les chercheurs à concevoir des supraconducteurs qui fonctionnent à température ambiante, étendre considérablement leur utilisation.

Cependant, malgré des décennies de recherche, on sait peu de choses sur l'interaction complexe entre le spin et la charge des électrons dans les matériaux supraconducteurs tels que les cuprates, ou des matériaux contenant du cuivre.

Maintenant, dans un article publié aujourd'hui dans la revue Science , des chercheurs du MIT ont dévoilé un nouveau système dans lequel des atomes ultrafroids sont utilisés comme modèle pour les électrons dans les matériaux supraconducteurs.

Les chercheurs, dirigé par Martin Zwierlein, le professeur de physique Thomas A. Frank au MIT, avoir utilisé le système, qu'ils décrivent comme un « émulateur quantique, " pour réaliser le modèle de Fermi-Hubbard de particules interagissant au sein d'un réseau.

Le modèle Fermi-Hubbard, qui est censé expliquer la base de la supraconductivité à haute température, est extrêmement simple à décrire, et pourtant s'est avéré jusqu'à présent impossible à résoudre, selon Zwierlein.

"Le modèle est juste des atomes ou des électrons qui sautillent sur un réseau, puis, lorsqu'ils sont superposés sur le même site en treillis, ils peuvent interagir, " dit-il. "Mais même s'il s'agit du modèle le plus simple d'électrons interagissant au sein de ces matériaux, il n'y a aucun ordinateur au monde qui puisse le résoudre."

Donc au lieu, les chercheurs ont construit un émulateur physique dans lequel les atomes remplacent les électrons.

Pour construire leur émulateur quantique, les chercheurs ont utilisé des faisceaux laser interférant les uns avec les autres pour produire une structure cristalline. Ils ont ensuite confiné environ 400 atomes au sein de ce réseau optique, dans une boîte carrée.

Lorsqu'ils inclinent la boîte en appliquant un gradient de champ magnétique, ils sont capables d'observer les atomes lorsqu'ils se déplacent, et mesurer leur vitesse, leur donnant la conductivité du matériau, dit Zwierlein.

"C'est une plate-forme merveilleuse. Nous pouvons examiner chaque atome individuellement lorsqu'il se déplace, qui est unique ; on ne peut pas faire ça avec des électrons, " dit-il. " Avec les électrons, vous ne pouvez mesurer que des quantités moyennes. "

L'émulateur permet aux chercheurs de mesurer le transport, ou mouvement, du spin des atomes, et comment cela est affecté par l'interaction entre les atomes dans le matériau. La mesure du transport de spin n'était pas possible dans les cuprates jusqu'à présent, comme les efforts ont été inhibés par des impuretés dans les matériaux et d'autres complications, dit Zwierlein.

En mesurant le mouvement de rotation, les chercheurs ont pu étudier en quoi il diffère de celui de charge.

Étant donné que les électrons transportent à la fois leur charge et tournent avec eux lorsqu'ils se déplacent à travers un matériau, le mouvement des deux propriétés devrait essentiellement être verrouillé ensemble, dit Zwierlein.

Cependant, la recherche démontre que ce n'est pas le cas.

"Nous montrons que les spins peuvent diffuser beaucoup plus lentement que la charge dans notre système, " il dit.

Les chercheurs ont ensuite étudié comment la force des interactions entre les atomes affecte la fluidité du spin, selon Matthew Nichols, étudiant diplômé du MIT, l'auteur principal de l'article.

"Nous avons découvert que les grandes interactions peuvent limiter les mécanismes disponibles qui permettent aux spins de se déplacer dans le système, de sorte que le flux de spin ralentit considérablement à mesure que les interactions entre les atomes augmentent, " dit Nichols.

Lorsqu'ils ont comparé leurs mesures expérimentales avec des calculs théoriques de pointe effectués sur un ordinateur classique, ils ont découvert que les fortes interactions présentes dans le système rendaient très difficiles les calculs numériques précis.

"Cela a démontré la force de notre système d'atomes ultrafroids pour simuler des aspects d'un autre système quantique, les matériaux cuprate, et de surpasser ce que l'on peut faire avec un ordinateur classique, " dit Nichols.

Les propriétés de transport dans les matériaux fortement corrélés sont généralement très difficiles à calculer à l'aide d'ordinateurs classiques, et quelques-uns des plus intéressants, et pratiquement pertinent, des matériaux comme les supraconducteurs à haute température sont encore mal connus, dit Zoran Hadzibabic, professeur de physique à l'université de Cambridge, qui n'a pas participé à la recherche.

"(Les chercheurs) étudient le transport de spin, ce qui n'est pas seulement difficile à calculer, mais aussi même expérimentalement extrêmement difficile à étudier dans des matériaux conventionnels fortement corrélés, et ainsi fournir un aperçu unique des différences entre le transport de charge et le transport de spin, " dit Hadzibabic.

En complément des travaux du MIT sur le transport de spin, le transport de charge a été mesuré par le groupe du professeur Waseem Bakr à l'Université de Princeton, élucider dans le même numéro de Science comment la conductivité de charge dépend de la température.

L'équipe du MIT espère mener d'autres expériences en utilisant l'émulateur quantique. Par exemple, puisque le système permet aux chercheurs d'étudier le mouvement des atomes individuels, ils espèrent étudier comment le mouvement de chacun diffère de celui de la moyenne, étudier le "bruit" actuel au niveau atomique.

"Jusqu'à présent, nous avons mesuré le courant moyen, mais ce que nous voudrions aussi faire, c'est regarder le bruit du mouvement des particules; certains sont un peu plus rapides que d'autres, donc il y a toute une distribution que nous pouvons apprendre, " dit Zwierlein.

Les chercheurs espèrent également étudier comment le transport change avec la dimensionnalité en passant d'une feuille d'atomes à deux dimensions à un fil à une dimension.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.