Certains supraconducteurs à base de fer pourraient bénéficier d'une mise au point, selon deux études menées par des physiciens et des collaborateurs de l'Université Rice.

"Notre travail démontre un nouveau principe de conception pour le réglage des matériaux quantiques afin d'atteindre une supraconductivité non conventionnelle à des températures plus élevées, " dit Qimiao Si de Rice, le physicien théoricien principal sur les études, qui étudient les modèles inhabituels de supraconductivité qui ont déjà été signalés dans le séléniure de fer.

"Nous montrons comment la nématicité, une commande électronique inhabituelle, peut augmenter les chances que la supraconductivité résulte de l'appariement d'électrons dans des orbitales spécifiques, " dit Si, directeur du Rice Center for Quantum Materials (RCQM) et professeur de physique et d'astronomie Harry C. et Olga K. Wiess. « Le réglage des matériaux pour améliorer cet effet pourrait favoriser la supraconductivité à des températures plus élevées. »

Le courant électrique chauffe le câblage, grâce à la bousculade d'innombrables électrons, qui perdent de l'énergie à chaque fois qu'ils heurtent quelque chose. Environ 6 pour cent de l'électricité sur les réseaux électriques américains est perdu à cause de ce chauffage, ou résistance électrique, chaque année. En revanche, les électrons dans les supraconducteurs forment des paires qui s'écoulent sans effort, sans résistance ni chaleur.

Les ingénieurs rêvent depuis longtemps d'exploiter la supraconductivité pour une informatique économe en énergie, réseaux électriques et plus, mais les électrons sont des solitaires notoires, le membre le plus étudié d'une famille quantique appelée fermions. Les Fermions sont tellement opposés au partage de l'espace les uns avec les autres qu'ils sont connus pour disparaître temporairement. En raison de leur nature quantique originale, cajoler les électrons pour former des paires nécessite souvent des conditions extrêmes, comme une pression intense ou des températures plus froides que l'espace lointain.

La supraconductivité non conventionnelle, celle qui se produit dans des matériaux comme le séléniure de fer, est différente. Pour des raisons que les physiciens ne peuvent pas expliquer complètement, les électrons dans les supraconducteurs non conventionnels forment des paires à des températures relativement élevées. Le comportement a été documenté dans des dizaines de matériaux au cours des 40 dernières années. Et tandis que le mécanisme exact reste un mystère, des physiciens comme Si ont appris à prédire comment les supraconducteurs non conventionnels se comporteront dans certaines situations.

Dans les nouvelles études, Si, L'étudiant diplômé de Rice Haoyu Hu et ses collaborateurs ont utilisé un modèle théorique d'"appariement orbital-sélectif" pour à la fois expliquer les résultats expérimentaux antérieurs du séléniure de fer et prédire comment celui-ci et d'autres matériaux se comporteront dans d'autres circonstances. L'équipe comprenait Haoyu Hu, étudiant diplômé à l'Université Rice, Rong Yu de l'Université Renmin de Chine, Emilian Nica de l'Université d'État de l'Arizona et Jian-Xin Zhu du Laboratoire national de Los Alamos. Dans son modèle, les électrons de certaines couches atomiques sont plus susceptibles de former des paires que d'autres. Si a dit qu'une façon de visualiser cela est de penser à des orbitales atomiques comme des voies sur une autoroute.

"Les voitures roulent à des vitesses différentes sur des voies différentes, " a-t-il dit. " Nous nous attendons à ce que ceux de la voie de gauche se déplacent le plus rapidement, mais ce n'est pas toujours le cas. Quand beaucoup de voitures sont sur l'autoroute, d'autres voies peuvent se déplacer plus rapidement. Les électrons dans les supraconducteurs non conventionnels sont comme les voitures sur une autoroute bondée. Ils doivent s'éviter et peuvent se retrouver coincés dans une voie. Le réglage de l'ordre électronique est un moyen d'amadouer les électrons dans des orbitales spécifiques, un peu comme les cônes d'autoroute et les barrières qui dirigent les voitures dans des voies spécifiques. »

Des supraconducteurs à haute température à base de fer ont été découverts en 2008, et Si et ses collaborateurs ont proposé l'une des premières théories pour les expliquer :les refroidir au voisinage d'un point critique quantique entraîne des effets d'électrons corrélés prononcés, comportements qui découlent et ne peuvent être compris qu'en considérant les électrons comme un système collectif plutôt que comme de nombreux objets individuels.

Les nouveaux papiers, qui est apparu dans Lettres d'examen physique ( PRL ) et Examen physique B ( PRB ), s'appuyer sur les recherches Si menées avec Yu et Nica au cours de leurs études postdoctorales et supérieures à Rice. En 2013, Si et Yu ont montré qu'un comportement orbital sélectif pouvait amener les séléniures de fer alcalin à présenter simultanément les caractéristiques contradictoires des métaux et des isolants. En 2017, Si, Nica et ses collègues ont montré qu'il était possible que les séléniures de fer aient un état supraconducteur dans lequel les paires d'électrons associées à une orbitale d'une sous-couche étaient très différentes de celles d'une orbitale étroitement liée dans la même sous-couche.

"Dans le travail present, nous avons montré qu'un ordre nématique améliore considérablement la sélectivité orbitale à l'état normal à des températures supérieures à la température de transition supraconductrice, " dit Yu, auteur principal de la PRL papier.

Dans les systèmes nématiques, il y a un degré d'ordre plus élevé dans un sens que dans un autre. Dans une boîte de spaghettis crus, par exemple, les nouilles sont alignées dans le sens de la longueur mais désordonnées si elles sont vues dans la direction perpendiculaire.

Analyser la nature de la supraconductivité en présence de l'ordre électronique nématique, Yu, Si et ses collègues ont analysé le « gap supraconducteur, " une mesure qui compare les coûts énergétiques associés à la séparation des paires d'électrons dans la direction nématique et la direction perpendiculaire. Leurs calculs ont révélé une grande différence.

"Nos résultats fournissent une compréhension naturelle des résultats très frappants qui ont été récemment rapportés sur la base de mesures minutieuses de l'espace supraconducteur dans le séléniure de fer avec la microscopie à effet tunnel, " dit Hu, l'auteur principal de la PRB papier.

Si a déclaré que le travail « met en lumière l'interaction entre l'appariement orbital-sélectif et les commandes électroniques, qui semblent être des ingrédients importants pour la supraconductivité non conventionnelle à la fois dans les supraconducteurs à base de fer et dans d'autres matériaux quantiques fortement corrélés."