Les scientifiques cherchant à comprendre le mécanisme sous-jacent à la supraconductivité dans les cuprates "à bandes ordonnées" - des matériaux d'oxyde de cuivre avec des zones alternées de charge électrique et de magnétisme - ont découvert un état métallique inhabituel lorsqu'ils ont tenté de désactiver la supraconductivité. Ils ont découvert que dans les conditions de leur expérience, même après que le matériau a perdu sa capacité à transporter le courant électrique sans perte d'énergie, il conserve une certaine conductivité et éventuellement les paires d'électrons (ou de trous) nécessaires à sa superpuissance supraconductrice.

"Ce travail fournit des preuves circonstancielles que l'arrangement ordonné des charges et du magnétisme est bon pour former les paires de porteurs de charge nécessaires à l'émergence de la supraconductivité, " a déclaré John Tranquada, un physicien au laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie.

Tranquada et ses co-auteurs du Brookhaven Lab et du National High Magnetic Field Laboratory de la Florida State University, où une partie du travail a été effectuée, décrivent leurs découvertes dans un article qui vient d'être publié dans Avancées scientifiques . Un article connexe dans le Actes de l'Académie nationale des sciences par le co-auteur Alexei Tsvelik, un théoricien au Brookhaven Lab, donne un aperçu des fondements théoriques des observations.

Les scientifiques étudiaient une formulation particulière d'oxyde de cuivre et de baryum lanthane (LBCO) qui présente une forme inhabituelle de supraconductivité à une température de 40 Kelvin (-233 degrés Celsius). C'est relativement chaud dans le domaine des supraconducteurs. Les supraconducteurs conventionnels doivent être refroidis avec de l'hélium liquide à des températures proches de -273°C (0 Kelvin ou zéro absolu) pour transporter le courant sans perte d'énergie. Comprendre le mécanisme derrière une telle supraconductivité "à haute température" pourrait guider la découverte ou la conception stratégique de supraconducteurs qui fonctionnent à des températures plus élevées.

"En principe, de tels supraconducteurs pourraient améliorer l'infrastructure électrique avec des lignes de transport d'énergie sans perte d'énergie, " Tranquada a dit, "ou être utilisé dans des électro-aimants puissants pour des applications telles que l'imagerie par résonance magnétique (IRM) sans avoir besoin d'un refroidissement coûteux."

Le mystère du Tc élevé

LBCO a été le premier supraconducteur à haute température (haute Tc) découvert, il y a 33 ans. Il se compose de couches d'oxyde de cuivre séparées par des couches composées de lanthane et de baryum. Le baryum apporte moins d'électrons que le lanthane aux couches d'oxyde de cuivre, donc à un rapport particulier, le déséquilibre laisse des lacunes d'électrons, connu sous le nom de trous, dans les plans de cuprate. Ces trous peuvent servir de porteurs de charge et s'apparier, tout comme les électrons, et à des températures inférieures à 30K, le courant peut se déplacer à travers le matériau sans résistance en trois dimensions, à la fois à l'intérieur et entre les couches.

Une caractéristique étrange de ce matériau est que, dans les couches d'oxyde de cuivre, à la concentration particulière de baryum, les trous se séparent en "rayures" qui alternent avec des zones d'alignement magnétique. Depuis cette découverte, en 1995, il y a eu beaucoup de débats sur le rôle que ces bandes jouent dans l'induction ou l'inhibition de la supraconductivité.

En 2007, Tranquada et son équipe ont découvert la forme la plus inhabituelle de supraconductivité dans ce matériau à la température la plus élevée de 40K. S'ils modifiaient la quantité de baryum pour qu'elle soit juste en dessous de la quantité qui permettait la supraconductivité 3-D, ils ont observé une supraconductivité 2-D, c'est-à-dire juste à l'intérieur des couches d'oxyde de cuivre mais pas entre elles.

"Les couches supraconductrices semblent se découpler les unes des autres, " Tsvelik, le théoricien, mentionné. Le courant peut toujours circuler sans perte dans n'importe quelle direction à l'intérieur des couches, mais il y a résistivité dans la direction perpendiculaire aux couches. Cette observation a été interprétée comme un signe que les paires de porteurs de charge formaient des "ondes de densité de paires" avec des orientations perpendiculaires les unes aux autres dans les couches voisines. "C'est pourquoi les paires ne peuvent pas sauter d'une couche à l'autre. Ce serait comme essayer de se fondre dans le trafic se déplaçant dans une direction perpendiculaire. Elles ne peuvent pas se fondre, " a déclaré Tsvelik.

Les bandes supraconductrices sont difficiles à tuer

Dans la nouvelle expérience, les scientifiques ont plongé plus profondément dans l'exploration des origines de la supraconductivité inhabituelle dans la formulation spéciale de LBCO en essayant de la détruire. "Souvent, nous testons des choses en les poussant à l'échec, ", a déclaré Tranquada. Leur méthode de destruction exposait le matériau à de puissants champs magnétiques générés dans l'État de Floride.

"Au fur et à mesure que le champ extérieur s'agrandit, le courant dans le supraconducteur augmente de plus en plus pour essayer d'annuler le champ magnétique, " expliqua Tranquada. " Mais il y a une limite au courant qui peut circuler sans résistance. Trouver cette limite devrait nous dire quelque chose sur la force du supraconducteur."

Par exemple, si les bandes d'ordre de charge et le magnétisme dans LBCO sont mauvais pour la supraconductivité, un champ magnétique modeste devrait le détruire. « Nous avons pensé que la charge se figerait peut-être dans les rayures afin que le matériau devienne un isolant, " a déclaré Tranquada.

Mais la supraconductivité s'est avérée beaucoup plus robuste.

En utilisant des cristaux parfaits de LBCO cultivés par le physicien de Brookhaven Genda Gu, Yangmu Li, un stagiaire postdoctoral qui travaille dans le laboratoire de Tranquada, a pris des mesures de la résistance et de la conductivité du matériau dans diverses conditions au National High Magnetic Field Laboratory. À une température juste au-dessus du zéro absolu sans champ magnétique présent, le matériel exposé plein, supraconductivité 3D. Maintenir la température constante, les scientifiques ont dû augmenter considérablement le champ magnétique externe pour faire disparaître la supraconductivité 3-D. Plus surprenant encore, quand ils ont encore augmenté l'intensité du champ, la résistance dans les plans d'oxyde de cuivre est redevenue nulle !

"Nous avons vu la même supraconductivité 2D que nous avions découverte à 40K, " a déclaré Tranquada.

L'augmentation du champ a encore détruit la supraconductivité 2-D, mais cela n'a jamais complètement détruit la capacité du matériau à transporter le courant ordinaire.

"La résistance a augmenté mais s'est ensuite stabilisée, " a noté Tranquada.

Signes de paires persistantes ?

Des mesures supplémentaires effectuées sous le champ magnétique le plus élevé ont indiqué que les porteurs de charge dans le matériau, bien que n'étant plus supraconducteur, peut encore exister par paires, dit Tranquada.

« La matière devient un métal qui ne dévie plus le passage du courant, " dit Tsvelik. " Chaque fois que vous avez un courant dans un champ magnétique, vous vous attendriez à une certaine déviation des charges - électrons ou trous - dans la direction perpendiculaire au courant [ce que les scientifiques appellent l'effet Hall]. Mais ce n'est pas ce qui se passe. Il n'y a pas de déviation."

En d'autres termes, même après la destruction de la supraconductivité, le matériau conserve l'une des signatures clés de « l'onde de densité de paires » caractéristique de l'état supraconducteur.

"Ma théorie relie la présence des bandes riches en charges avec l'existence de moments magnétiques entre elles à la formation de l'état d'onde de densité de paires, " a déclaré Tsvelik. " L'observation de l'absence de déviation de charge à champ élevé montre que le champ magnétique peut détruire la cohérence nécessaire à la supraconductivité sans nécessairement détruire l'onde de densité de paires. "

« Ensemble, ces observations fournissent une preuve supplémentaire que les rayures sont bonnes pour l'appariement, " a déclaré Tranquada. "Nous voyons la supraconductivité 2-D réapparaître à haut champ et ensuite, à un champ encore plus élevé, quand on perd la supraconductivité 2-D, le matériau ne devient pas seulement un isolant. Il y a encore du courant qui passe. Nous avons peut-être perdu le mouvement cohérent des paires entre les bandes, mais nous pouvons encore avoir des paires dans les rayures qui peuvent bouger de manière incohérente et nous donner un comportement métallique inhabituel."