Les charges dopées dans les plans CuO2 des supraconducteurs cuprates forment des « bandes » unidimensionnelles régulières à basse température. L'excitation avec des impulsions ultrarapides dans le proche infrarouge permet l'observation directe de la dynamique de charge diffusive, qui peuvent être impliqués dans l'établissement de la supraconductivité dans le plan. Crédit :Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
L'un des plus grands mystères de la physique de la matière condensée est la relation exacte entre l'ordre des charges et la supraconductivité dans les supraconducteurs cuprates. Dans les supraconducteurs, les électrons se déplacent librement à travers le matériau - il n'y a aucune résistance lorsqu'il est refroidi en dessous de sa température critique. Cependant, les cuprates présentent simultanément une supraconductivité et un ordre de charge dans des motifs de bandes alternées. Ceci est paradoxal dans la mesure où l'ordre des charges décrit les zones d'électrons confinés. Comment la supraconductivité et l'ordre des charges peuvent-ils coexister ?
Aujourd'hui chercheurs à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, collaborer avec des scientifiques du Laboratoire national des accélérateurs SLAC, ont jeté un nouvel éclairage sur la façon dont ces états disparates peuvent coexister les uns à côté des autres. Matteo Mitrano, chercheur postdoctoral en physique de l'Illinois, Professeur Peter Abbamonte, et leur équipe ont appliqué une nouvelle technique de diffusion des rayons X, diffusion de rayons X mous résonnante résolue dans le temps, en profitant des équipements de pointe du SLAC. Cette méthode a permis aux scientifiques de sonder la phase d'ordre de charge rayée avec une résolution énergétique sans précédent. C'est la première fois que cela est fait à une échelle d'énergie pertinente pour la supraconductivité.
Les scientifiques ont mesuré les fluctuations de l'ordre de charge dans un supraconducteur prototype en oxyde de cuivre, La
Les chercheurs ont en outre démontré que, si l'ordre de charge fond, les électrons du système reformeront les zones rayées d'ordre de charge en quelques dizaines de picosecondes. Comme il s'avère, ce processus obéit à une loi d'échelle universelle. Pour comprendre ce qu'ils voyaient dans leur expérience, Mitrano et Abbamonte se sont tournés vers le professeur de physique de l'Illinois Nigel Goldenfeld et son étudiant diplômé Minhui Zhu, qui ont pu appliquer des méthodes théoriques empruntées à la physique de la matière molle condensée pour décrire la formation des motifs rayés.
Ces résultats ont été publiés le 16 août 2019, dans la revue en ligne Avancées scientifiques .
Les cuprates ont des rayures
L'importance de ce mystère peut être comprise dans le cadre de la recherche sur les supraconducteurs à haute température (HTS), en particulier les cuprates, des matériaux stratifiés qui contiennent des complexes de cuivre. Les cuprates, certains des premiers HTS découverts, ont des températures critiques significativement plus élevées que les supraconducteurs "ordinaires" (par exemple, les supraconducteurs en aluminium et en plomb ont une température critique inférieure à 10 K). Dans les années 1980, LBCO, un cuprate, s'est avéré avoir une température critique supraconductrice de 35 K (-396°F), une découverte pour laquelle Bednorz et Müller ont remporté le prix Nobel.
Cette découverte a précipité un flot de recherches sur les cuprates. À l'heure, les scientifiques ont trouvé des preuves expérimentales d'inhomogénéités dans le LBCO et les matériaux similaires :des phases isolantes et métalliques qui coexistaient. En 1998, Eduardo Fradkin, professeur de physique de l'Illinois, Le professeur de Stanford Steven Kivelson, et d'autres ont proposé que les isolants de Mott - des matériaux qui devraient conduire selon la théorie des bandes conventionnelle mais isoler en raison de la répulsion entre les électrons - soient capables d'accueillir des bandes d'ordre de charge et de supraconductivité. La
Toujours, d'autres questions concernant le comportement des rayures subsistaient. Les zones d'ordre de charge sont-elles immobiles ? Est-ce qu'ils fluctuent ?
"La croyance conventionnelle est que si vous ajoutez ces trous dopés, ils ajoutent une phase statique qui est mauvaise pour la supraconductivité - vous gelez les trous, et le matériau ne peut pas transporter l'électricité, " Commente Mitrano. " S'ils sont dynamiques, s'ils fluctuent, alors il existe des moyens par lesquels les trous pourraient favoriser la supraconductivité à haute température. "
Sonder les fluctuations du LBCO
Pour comprendre ce que font exactement les rayures, Mitrano et Abbamonte ont conçu une expérience pour fondre l'ordre des charges et observer le processus de sa reformation en LBCO. Mitrano et Abbamonte ont repensé une technique de mesure appelée diffusion inélastique résonante des rayons X, l'ajout d'un protocole dépendant du temps pour observer comment l'ordre de charge récupère sur une durée de 40 picosecondes. L'équipe a tiré un laser sur l'échantillon LBCO, conférer une énergie supplémentaire aux électrons pour faire fondre l'ordre de charge et introduire l'homogénéité électronique.
"Nous avons utilisé un nouveau type de spectromètre développé pour les sources ultra-rapides, parce que nous faisons des expériences dans lesquelles nos impulsions laser sont extrêmement courtes, " explique Mitrano. " Nous avons effectué nos mesures à la source de lumière cohérente Linac au SLAC, un fleuron dans ce domaine d'investigation. Nos mesures sont de deux ordres de grandeur plus sensibles en énergie que ce qui peut être fait dans n'importe quelle autre installation de diffusion conventionnelle."
Le professeur Peter Abbamonte (au milieu, en pull bleu marine) et le chercheur postdoctoral Matteo Mitrano (à droite, en chemise blanche) posent avec leur équipe au SLAC National Accelerator Laboratory à Menlo Park, Californie. L'équipe expérimentale a utilisé une nouvelle technique d'investigation appelée diffusion de rayons X mous résonante à résolution temporelle, pour sonder la phase d'ordre de charge rayée dans un supraconducteur cuprate bien étudié, avec une résolution énergétique sans précédent, constatant que la supraconductivité dans les cuprates peut être médiée par des fluctuations d'ordre de charge. C'est la première fois qu'une telle expérience est réalisée à une échelle d'énergie pertinente pour la supraconductivité. Crédit :SLAC
Abbamonte ajoute, "Ce qui est innovant ici, c'est d'utiliser la diffusion dans le domaine temporel pour étudier les excitations collectives à l'échelle de l'énergie sub-meV. Cette technique a été démontrée précédemment pour les phonons. Ici, nous avons montré que la même approche peut être appliquée aux excitations dans la bande de valence."
Indices d'un mécanisme pour la supraconductivité
Le premier résultat significatif de cette expérience est que l'ordre de charge fluctue en fait, se déplaçant avec une énergie qui correspond presque à l'énergie établie par la température critique de LBCO. Cela suggère que le couplage Josephson peut être crucial pour la supraconductivité.
L'idée derrière l'effet Josephson, découvert par Brian Josephson en 1962, est que deux supraconducteurs peuvent être connectés via un maillon faible, typiquement un isolant ou un métal normal. Dans ce type de système, des électrons supraconducteurs peuvent fuir des deux supraconducteurs dans le maillon faible, générant en son sein un courant d'électrons supraconducteurs.
Le couplage de Josephson fournit une explication possible du couplage entre la supraconductivité et les régions rayées d'ordre de charge, dans lequel les bandes fluctuent de telle sorte que la supraconductivité fuit dans les zones d'ordre de charge, les maillons faibles.
Obéir aux lois d'échelle universelles de la formation de motifs
Après avoir fondu l'ordre de charge, Mitrano et Abbamonte ont mesuré la récupération des rayures au fur et à mesure de leur évolution dans le temps. Alors que l'ordonnance de mise en accusation approchait de son recouvrement complet, il s'en est suivi une dépendance temporelle inattendue. Ce résultat ne ressemblait en rien à ce que les chercheurs avaient rencontré dans le passé. Qu'est-ce qui pourrait expliquer cela ?
La réponse est empruntée au domaine de la physique de la matière molle condensée, et plus précisément à partir d'une théorie de la loi d'échelle que Goldenfeld avait développée deux décennies auparavant pour décrire la formation de motifs dans les liquides et les polymères. Goldenfeld et Zhu ont démontré que les rayures en LBCO récupèrent selon un universel, dynamique, loi d'échelle auto-similaire.
Goldenfeld explique, « Au milieu des années 90, les scientifiques comprenaient comment les systèmes uniformes approchent l'équilibre, mais qu'en est-il des systèmes de bandes ? J'ai travaillé sur cette question il y a environ 20 ans, en regardant les motifs qui émergent lorsqu'un fluide est chauffé par le bas, tels que les taches hexagonales de circulation, des taches blanches montantes dans la soupe miso chaude. Dans certaines circonstances, ces systèmes forment des bandes de fluide circulant, pas de taches, analogue aux bandes d'électrons dans les supraconducteurs de cuprate. Et quand le motif se forme, il suit une loi d'échelle universelle. C'est exactement ce que nous voyons dans LBCO alors qu'il réforme son ordre de redevances."
Par leurs calculs, Goldenfeld et Zhu ont pu élucider le processus de reformation de modèle en fonction du temps dans l'expérience de Mitrano et Abbamonte. Les bandes se reforment avec une dépendance temporelle logarithmique, un processus très lent. Le respect de la loi d'échelle dans LBCO implique en outre qu'il contient des défauts topologiques, ou des irrégularités dans sa structure en treillis. C'est le deuxième résultat significatif de cette expérience.
Zhu commente, "C'était excitant de faire partie de cette recherche collaborative, travailler avec des physiciens du solide, mais en appliquant des techniques de matière molle condensée pour analyser un problème dans un système fortement corrélé, comme la supraconductivité à haute température. J'ai non seulement contribué mes calculs, mais aussi acquis de nouvelles connaissances de mes collègues d'horizons différents, et ainsi acquis de nouvelles perspectives sur les problèmes physiques, ainsi que de nouvelles façons de penser scientifique.
Dans des recherches futures, Mitrano, Abbamonte, et Goldenfeld prévoient de sonder davantage la physique des fluctuations de l'ordre de charge dans le but de faire fondre complètement l'ordre de charge dans LBCO pour observer la physique de la formation de bandes. Ils prévoient également des expériences similaires avec d'autres cuprates, y compris les composés d'oxyde de cuivre et d'yttrium baryum, mieux connu sous le nom de YBCO.
Goldenfeld considère cette expérience et les futures expériences comme celles qui pourraient catalyser de nouvelles recherches sur le HTS :"Ce que nous avons appris au cours des 20 années écoulées depuis les travaux d'Eduardo Fradkin et Steven Kivelson sur la modulation périodique de la charge, c'est que nous devrions considérer le HTS comme des cristaux liquides électroniques, ", déclare-t-il. "Nous commençons maintenant à appliquer la physique de la matière douce condensée des cristaux liquides à HTS pour comprendre pourquoi la phase supraconductrice existe dans ces matériaux."
