Découvert il y a plus de 100 ans, la supraconductivité continue de captiver les scientifiques qui cherchent à développer des composants pour une transmission d'énergie très efficace, électronique ultrarapide ou bits quantiques pour le calcul de nouvelle génération. Cependant, déterminer ce qui fait que les substances deviennent ou cessent d'être des supraconducteurs reste une question centrale dans la recherche de nouveaux candidats pour cette classe spéciale de matériaux.

Dans les supraconducteurs potentiels, il peut y avoir plusieurs façons dont les électrons peuvent s'organiser. Certains d'entre eux renforcent l'effet supraconducteur, tandis que d'autres l'inhibent. Dans une nouvelle étude, des scientifiques du laboratoire national d'Argonne du département de l'Énergie des États-Unis (DOE) ont expliqué comment deux de ces arrangements se font concurrence et affectent finalement la température à laquelle un matériau devient supraconducteur.

A l'état supraconducteur, les électrons se réunissent en paires dites de Cooper, dans lequel le mouvement des électrons est corrélé; à chaque instant, les vitesses des électrons participant à une paire donnée sont opposées. Finalement, le mouvement de tous les électrons est couplé - aucun électron ne peut faire sa propre chose - ce qui conduit au flux d'électricité sans perte :la supraconductivité.

Généralement, plus les paires se couplent fortement et plus le nombre d'électrons qui y participent est grand, plus la température de transition supraconductrice sera élevée.

Les matériaux qui sont des supraconducteurs potentiels à haute température ne sont pas de simples éléments, mais sont des composés complexes contenant de nombreux éléments. Il se trouve que, outre la supraconductivité, les électrons peuvent présenter des propriétés différentes à basse température, y compris le magnétisme ou l'ordre d'onde de densité de charge. Dans une onde de densité de charge, les électrons forment un motif périodique de concentration élevée et faible à l'intérieur du matériau. Les électrons qui sont liés dans l'onde de densité de charge ne participent pas à la supraconductivité, et les deux phénomènes s'affrontent.

"Si vous retirez des électrons pour les mettre dans une onde de densité de charge, la force de votre effet supraconducteur diminuera, " a déclaré le scientifique des matériaux d'Argonne, Ulrich Welp, un auteur correspondant de l'étude.

Le travail de l'équipe d'Argonne est basé sur la réalisation que l'ordre d'onde de densité de charge et la supraconductivité sont affectés différemment par les imperfections du matériau. En introduisant le désordre, les chercheurs ont supprimé une onde de densité de charge, perturber le modèle d'onde de densité de charge périodique tout en n'ayant qu'un faible effet sur la supraconductivité. Cela ouvre un moyen d'ajuster l'équilibre entre l'ordre d'onde de densité de charge concurrente et la supraconductivité.

Pour introduire le désordre d'une manière qui altère l'état d'onde de densité de charge, mais a laissé l'état supraconducteur en grande partie intact, les chercheurs ont utilisé l'irradiation aux particules. En frappant le matériau avec un faisceau de protons, les chercheurs ont assommé quelques atomes, changer la structure électronique globale tout en gardant intacte la composition chimique du matériau.

Pour se faire une idée du devenir des ondes de densité de charge, les chercheurs ont utilisé la diffusion de rayons X de pointe à la source de photons avancée (APS) d'Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science, et la source synchrotron à haute énergie de Cornell. « La diffusion des rayons X était indispensable pour observer les subtilités de cet ordre électronique dans la matière, " a déclaré le physicien d'Argonne et auteur de l'étude Zahir Islam. " Nous avons découvert qu'une concentration diluée d'atomes désordonnés diminuait réellement l'onde de densité de charge pour améliorer la supraconductivité. "

Selon l'Islam, tandis que la brillance actuelle de l'APS a permis des études systématiques des ondes de densité de charge à partir de minuscules échantillons monocristallins malgré sa force de diffusion relativement faible, la prochaine mise à niveau prévue de l'installation offrira aux chercheurs la plus grande sensibilité pour observer ces phénomènes. Par ailleurs, il a dit, les scientifiques bénéficieront de l'étude de ces matériaux dans des environnements extrêmes, en particulier, sous des champs magnétiques élevés pour faire pencher la balance en faveur des ondes de densité de charge pour obtenir les informations nécessaires sur la supraconductivité à haute température.

Dans la recherche, les scientifiques ont étudié un matériau appelé oxyde de cuivre et de baryum lanthane (LBCO). Dans ce matériau, la température supraconductrice a chuté presque au zéro absolu (-273 degrés Celsius) lorsque le matériau a atteint une certaine composition chimique. Cependant, pour des compositions proches, la température de transition est restée relativement élevée. Les scientifiques pensent que cet effet de refroidissement de la supraconductivité est dû à la présence d'ondes de densité de charge et que la suppression de l'onde de densité de charge pourrait induire des températures de transition encore plus élevées.

Avec des ondes de densité de charge altérées par le désordre, la supraconductivité en profite, Wai-Kwong Kwok, Argonne Distinguished Fellow et auteur de l'étude, expliqué. « Du point de vue du supraconducteur, l'ennemi de mon ennemi est vraiment mon ami, " il a dit.

Un article basé sur l'étude, "Le désordre élève la température critique d'un supraconducteur cuprate, " paru dans le numéro en ligne du 13 mai du Actes de l'Académie nationale des sciences .