Des expériences sur des supraconducteurs en céramique à base d'oxyde de cuivre ultra-minces réalisées par des chercheurs du MIT ont montré un effet désordonné inattendu, ou "vitreux, " disposition des électrons, connu sous le nom de « verre Wigner ». A gauche, "Espace de Fourier, " ou espace de quantité de mouvement, montre les données de diffraction qui ont prouvé la tendance des ondulations de charge à s'aligner dans n'importe quelle direction, tandis que l'image à droite affiche le placement aléatoire des électrons dans "l'espace réel". Crédit :Min Gu Kang
Cuprates, une classe de céramiques d'oxyde de cuivre qui partagent un bloc de construction commun d'atomes de cuivre et d'oxygène dans un réseau carré plat, ont été étudiées pour leur capacité à être supraconductrices à des températures relativement élevées. Dans leur état vierge, cependant, il s'agit d'un type spécial d'isolant (un matériau qui ne conduit pas facilement l'électricité) connu sous le nom d'isolant de Mott.
Lorsque les porteurs de charge électrique, soit les électrons, soit le manque d'électrons, connus sous le nom de "trous" - sont ajoutés à un isolant dans un processus appelé dopage, l'isolant peut devenir un métal, qui conduit facilement l'électricité, ou un semi-conducteur, qui peut conduire l'électricité en fonction de l'environnement. Cuprates, cependant, ne se comportent ni comme un isolant normal ni comme un métal normal en raison des fortes interactions entre leurs électrons. Pour éviter le coût énergétique élevé résultant de ces interactions, les électrons s'organisent spontanément dans un état collectif où le mouvement de chaque particule est lié à tous les autres.
Un exemple est l'état supraconducteur, où les électrons se déplacent à l'unisson et dérivent avec un frottement net nul lorsqu'un potentiel est appliqué, un état de résistance nulle qui est une caractéristique déterminante d'un supraconducteur. Un autre état électronique collectif est une "onde de densité de charge, " un terme inventé à partir de la modulation ondulatoire de la densité des électrons, dans lequel les électrons "gèlent" en motifs périodiques et statiques, en même temps entravant le flux d'électrons. Cet état est antagoniste à l'état supraconducteur, et, donc, important d'étudier et de comprendre. Dans les cuprates, les ondes de densité de charge préfèrent s'aligner sur les rangées atomiques d'atomes de cuivre et d'oxygène qui composent la structure cristalline sous-jacente, avec des « crêtes » d’onde apparaissant toutes les trois à cinq mailles élémentaires, selon le matériel et le niveau de dopage.
En utilisant une technique connue sous le nom de diffusion de rayons X résonante pour étudier ces ondes de densité de charge dans deux composés cuprates différents, oxyde de cuivre néodyme (Nd
La diffusion des rayons X par résonance est une technique de diffraction récemment développée dans laquelle la cristallographie est effectuée sur les électrons plutôt que exclusivement sur les atomes comme dans la diffraction des rayons X conventionnelle. "Dans la limite de la faible concentration d'électrons dopés, nous avons observé une forme complètement nouvelle et inattendue de phase électronique qui n'est ni un superfluide ni un cristal, mais il a plutôt les caractéristiques d'un verre Wigner. Dans cette phase, les électrons forment un état collectif sans préférence d'orientation, " dit l'auteur principal du journal, Riccardo Comin, professeur assistant de physique au MIT. Un tel verre d'électrons amorphe est totalement inédit dans cette famille de matériaux, il ajoute.
Ce phénomène n'apparaît que dans une fenêtre étroite de dopage électronique. « Curieusement, ce nouvel état exotique n'existe que dans une petite région du diagramme de phase électronique de ce matériau, et lorsque plus d'électrons sont dopés dans les plans [de l'oxyde de cuivre], un cristal électronique plus classique est récupéré, dont les ondulations s'alignent sur les axes cristallographiques du réseau atomique sous-jacent, " Min Gu Kang, l'auteur principal de l'article, explique.
L'équipe du MIT, composé de Comin, étudiant diplômé Kang, et post-doctorant Jonathan Pelliciari, conçu le projet et dirigé la majorité des expérimentations. Leurs recherches ont été rendues possibles grâce aux contributions de chercheurs de diverses institutions et installations à travers le monde. Des mesures de diffusion des rayons X par résonance ont été effectuées dans plusieurs installations de synchrotron, notamment l'anneau de stockage d'électrons de Berlin en Allemagne, la source lumineuse canadienne à Saskatoon, Saskatchewan, Canada, et la source lumineuse avancée, à Berkeley, Californie. Les échantillons de couches minces d'oxyde de cuivre ont été cultivés dans les laboratoires de recherche fondamentale NTT au Japon. L'analyse théorique a été développée par des chercheurs de l'Indian Institute of Science en Inde.
Comin note que la théorie proposée explique le rôle de la structure de bande électronique dans la régulation de l'espacement périodique et le manque de préférence d'orientation des ondes de densité en fonction du niveau de dopage dans ce matériau. "Notre théorie suggère que ces ondulations électroniques sont initialement formées avec des formes irrégulières et sont probablement nucléées autour de défauts ou d'impuretés dans le matériau, " dit Comin. " Quand la densité des porteurs augmente, les électrons parviennent à trouver un arrangement plus ordonné qui minimise l'énergie totale du système, rétablissant ainsi les ondes de densité de charge plus conventionnelles qui ont été observées universellement dans toutes les familles de supraconducteurs à base d'oxyde de cuivre."
"J'ai été complètement bluffé par les résultats de Riccardo sur NCO et PCO, " dit Pierre Abbamonte, Fox Family Professor in Engineering à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, qui a développé la technique de diffusion des rayons X doux par résonance. Notant que l'ordre des ondes de densité de charge (CDW) dans les cuprates est au centre du champ depuis plus d'une décennie, Abbamonte, qui n'a pas participé à cette recherche, explique que la compréhension précédente a été que l'ordre CDW est épinglé au réseau cristallin, ce qui signifie que l'onde de densité de charge doit pointer dans l'une des deux directions perpendiculaires, mais nulle part entre les deux. Cette sagesse conventionnelle est construite sur deux décennies d'expériences de diffusion résonnante et de microscopie à effet tunnel qui ont toujours trouvé que c'était le cas, note-t-il.
Les recherches de Comin sur ces cuprates particuliers dopés aux électrons ont montré que pendant la phase vitreuse, l'ordre de charge peut pointer dans n'importe quelle direction, indépendant du réseau cristallin dans lequel il vit. "La déclaration la plus précise est que le paramètre d'ordre CDW n'est pas semblable à Ising (c'est-à-dire, ne prenant que des valeurs discrètes, dans ce cas deux :x ou y), comme on l'a toujours supposé, mais ressemble plus à un paramètre d'ordre X-Y (c'est-à-dire, libre de choisir n'importe quelle valeur sur une plage continue, comme toutes les directions entre x et y comme c'est le cas ici) qui n'est que faiblement influencée par le cristal, " dit Abbamonte.
"Il va falloir un certain temps à la communauté pour digérer pleinement cette prise de conscience et ses implications pour comprendre la pertinence de l'ordre CDW, " Abbamonte ajoute. " Ce qui est clair, c'est que le papier de Riccardo va conduire à une sérieuse remise en cause des règles du jeu, et en ce sens est une avancée majeure pour le domaine."
Les supraconducteurs ont un immense, potentiel largement inexploité pour des applications transformatrices telles que l'informatique quantique, transport d'énergie sans perte, la détection magnétique et l'imagerie diagnostique médicale, et les technologies d'énergie à plasma et à fusion nucléaire.
"Globalement, notre étude a révélé une autre manifestation du caractère quantique exquis des porteurs de charge dans les supraconducteurs à haute température, qui résulte finalement de la nature des interactions électroniques, " dit Comin. " Le comportement détaillé des électrons découvert dans ce travail fournit de nouvelles informations sur la façon dont la supraconductivité à haute température est née d'un isolant Mott, et promet de combler un fossé entre les régions du diagramme de phase avec des phénoménologies très contrastées."
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.
