Avant d'appliquer des perturbations par la pression mécanique ou la tension de grille électrique, le matériau organique corrélé reste dans un état isolant puisque les électrons s'installent confortablement dans leurs "sièges réservés" au niveau des molécules. Une fois la tension de grille appliquée, le nombre d'électrons change et donne lieu à des sièges vacants (dopés aux trous) ou debout (dopés aux électrons). La pression mécanique provoque le changement de la distance entre les sièges. La combinaison appropriée de ces perturbations transforme le matériau en supraconducteur. Crédit :NINS/IMS
Dans les matériaux fortement corrélés tels que les supraconducteurs à haute température en cuprate, la supraconductivité peut être contrôlée soit en changeant le nombre d'électrons, soit en changeant l'énergie cinétique, ou transférer de l'énergie, d'électrons dans le système. Bien qu'un grand nombre de matériaux fortement corrélés aient été examinés avec différents paramètres pour comprendre le mécanisme de la supraconductivité, la plage de contrôle des paramètres est toujours limitée. Une méthode expérimentale polyvalente pour obtenir un contrôle simultané du nombre et de l'énergie de transfert des électrons est souhaitée depuis longtemps.
Un transistor électrique à double couche flexible (EDLT), ou transistor « corrélé », composé d'un matériau organique fortement corrélé a été construit (Fig. 1) par des chercheurs du RIKEN, Institut des sciences moléculaires (IMS), Université de Nagoya et Université de Toho. Le nombre d'électrons peut être contrôlé par les tensions de grille de l'EDLT, et l'énergie de transfert des électrons peut être contrôlée en pliant le substrat EDLT. Ils ont découvert que le système passait d'un isolant à un supraconducteur dans les deux cas de nombre d'électrons croissant et décroissant. Conditions pour ces états supraconducteurs dans les deux cas ci-dessus, cependant, se sont avérés fondamentalement différents. En outre, un autre état supraconducteur a émergé lorsque le substrat a été plié. Le présent résultat a été publié en ligne sur Avancées scientifiques le 10 mai, 2019.
Les chercheurs ont fabriqué l'EDLT en utilisant un cristal du matériau organique fortement corrélé composé de molécules BEDT-TTF (bis(éthylènedithio)tétrathiafulvalène) (Fig. 1). En appliquant la tension de grille sur la surface du cristal, le nombre d'électrons peut être augmenté (dopage d'électrons) et diminué (dopage de trous). Cet appareil EDLT est flexible, et l'énergie de transfert peut être contrôlée en appliquant une force mécanique (contrainte) depuis la face arrière de l'EDLT. Les chercheurs ont réussi à contrôler la supraconductivité dans un échantillon identique, en changeant précisément à la fois la tension de grille et la contrainte.
La résistivité est représentée par des couleurs. La région isolante (rouge) est entourée par les régions supraconductrices (bleu). Les formes des régions isolantes et supraconductrices diffèrent entre les plages négatives et positives de la tension de grille. La forme de la région supraconductrice dopée aux électrons (e-SC) s'avère assez anormale. Crédit :NINS/IMS
La figure 2 montre les régions d'états supraconducteurs. L'abscisse indique la tension de grille, qui correspond au nombre d'électrons dopés. L'ordonnée montre la contrainte appliquée à l'appareil par flexion. En descendant le long de l'ordonnée, les électrons se déplacent plus facilement car l'énergie cinétique des électrons augmente. La région de l'état isolant (rouge) est entourée par les régions des états supraconducteurs (bleu). Deux régions supraconductrices des côtés gauche et droit de la région isolante ont une forme significativement différente sur la figure 2. En particulier, l'état supraconducteur est apparu avec un nombre croissant d'électrons (le côté droit sur la figure 2) montre un comportement remarquable que l'état est apparu soudainement avec une augmentation de quelques pour cent du nombre d'électrons et a disparu avec un ajout d'électrons en excès. Les états supraconducteurs peuvent être obtenus à la fois en augmentant et en diminuant le nombre d'électrons. Cependant, les caractéristiques des deux états s'avèrent fondamentalement différentes.
Le diagramme de phase bidimensionnel (Fig. 2) a ainsi été obtenu à partir de l'échantillon unique. Le diagramme montre la nature de la transition de phase supraconductrice, qui a été anticipé à partir des données collectées à partir de nombreux échantillons différents avant que cet appareil n'apparaisse. Par conséquent, cette méthode expérimentale nouvellement développée accélère pour obtenir les diagrammes de phase. Plus fondamentalement, dessiner le diagramme de phase complet à partir du même échantillon nous permet d'obtenir des résultats plus fiables quels que soient les effets d'impureté et de différence dans les structures cristallines.
Cette méthode expérimentale peut s'appliquer à divers matériaux organiques fortement corrélés. Un exemple intéressant est le liquide de spin quantique dans lequel les directions des spins des électrons se déplacent de manière aléatoire même à 0 Kelvin. Des expériences sur le liquide de spin quantique révéleront la relation entre la supraconductivité et le magnétisme (arrangement des spins électroniques). Il est également à noter que le diagramme de phase du système électronique fortement corrélé est une cible importante des simulateurs quantiques. Le présent résultat fournit une solution standard possible pour ces nouvelles méthodes de calcul.
