Les physiciens ont découvert « l'appariement d'électrons, " une caractéristique distinctive de la supraconductivité, à des températures et des énergies bien au-dessus du seuil critique où se produit la supraconductivité.

Doug Natelson de l'Université Rice, auteur co-correspondant d'un article sur le travail de cette semaine La nature , a déclaré que la découverte de paires d'électrons de Cooper "un peu au-dessus de la température critique ne sera pas" follement surprenante "pour certaines personnes. Ce qui est plus étrange, c'est qu'il semble qu'il y ait deux échelles d'énergie différentes. Il y a une échelle d'énergie plus élevée où les paires se forment, et il y a une échelle énergétique inférieure où ils décident tous de se donner la main et d'agir collectivement et de manière cohérente, le comportement qui entraîne réellement la supraconductivité."

La résistance électrique est si courante dans le monde moderne que la plupart d'entre nous tiennent pour acquis que les ordinateurs, les smartphones et les appareils électriques chauffent pendant l'utilisation. Ce chauffage se produit parce que l'électricité ne circule pas librement à travers les fils métalliques et les puces de silicium à l'intérieur des appareils. Au lieu, les électrons qui circulent se heurtent parfois aux atomes ou les uns aux autres, et chaque collision produit un tout petit peu de chaleur.

Les physiciens savent depuis 1911 que l'électricité peut circuler sans résistance dans des matériaux appelés supraconducteurs. Et en 1957, ils ont compris pourquoi :dans des conditions spécifiques, y compris des températures généralement très froides, les électrons se réunissent par paires - ce qui est normalement interdit en raison de leur répulsion mutuelle - et par paires, ils peuvent circuler librement.

"Pour obtenir la supraconductivité, le sentiment général est que vous avez besoin de paires, et vous devez parvenir à une sorte de cohérence entre eux, " dit Natelson, qui s'est associé à la recherche avec des experts de Rice, Laboratoire national de Brookhaven et Université du Connecticut. "La question, pendant longtemps, était, « Quand obtenez-vous des paires ? » Car dans les supraconducteurs conventionnels dès qu'on forme des paires, la cohérence et la supraconductivité suivraient.

Les paires d'électrons portent le nom de Leon Cooper, le physicien qui les a décrits le premier. En plus d'expliquer la supraconductivité classique, les physiciens pensent que les paires de Cooper entraînent une supraconductivité à haute température, une variante non conventionnelle découverte dans les années 1980. Il a été surnommé « haute température » ​​parce qu'il se produit à des températures qui, bien qu'encore très froid, sont considérablement plus élevés que ceux des supraconducteurs classiques. Les physiciens rêvent depuis longtemps de fabriquer des supraconducteurs à haute température qui fonctionnent à température ambiante, une évolution qui changerait radicalement la façon dont l'énergie est produite, déplacé et utilisé dans le monde entier.

Mais alors que les physiciens ont une compréhension claire de comment et pourquoi l'appariement électronique se produit dans les supraconducteurs classiques, on ne peut pas en dire autant des supraconducteurs à haute température comme l'oxyde de cuivre et de strontium de lanthane (LSCO) présenté dans la nouvelle étude.

Chaque supraconducteur a une température critique à laquelle la résistance électrique disparaît. Natelson a déclaré que les théories et les études sur les supraconducteurs à base d'oxyde de cuivre au cours des 20 dernières années ont suggéré que les paires de Cooper se forment au-dessus de cette température critique et ne deviennent mobiles de manière cohérente que lorsque le matériau est refroidi à la température critique.

« Si c'est vrai, et vous avez déjà des paires à des températures plus élevées, La question est, « Pouvez-vous également obtenir de la cohérence à ces températures ? » a déclaré Natelson. « Pouvez-vous les convaincre de commencer leur danse dans la région connue sous le nom de pseudogap, un espace de phase à des températures et des échelles d'énergie plus élevées que la phase supraconductrice."

Dans le La nature étudier, Natelson et ses collègues ont trouvé des preuves de cet appariement d'énergie plus élevée dans le bruit de conduction dans des échantillons de LCSO ultrapurs cultivés dans le laboratoire d'Ivan Božović de Brookhaven, co-auteur de l'étude.

"Il cultive le meilleur matériau au monde, et nos mesures et conclusions n'ont été possibles qu'en raison de la pureté de ces échantillons, " a déclaré Natelson. " Lui et son équipe ont fabriqué des dispositifs appelés jonctions tunnel, et au lieu de simplement regarder le courant électrique, nous avons examiné les fluctuations du courant appelé bruit de grenaille.

"Dans la plupart des cas, si vous mesurez le courant, vous mesurez une moyenne et ignorez le fait que le courant vient en morceaux de charge, " a déclaré Natelson. " C'est quelque chose comme la différence entre mesurer les précipitations quotidiennes moyennes chez vous et mesurer le nombre de gouttes de pluie qui tombent à un moment donné. "

En mesurant la variation de la quantité discrète de charge électrique circulant à travers les jonctions LCSO, Natelson et ses collègues ont découvert que le passage d'électrons uniques ne pouvait pas expliquer la quantité de charge circulant à travers les jonctions à des températures et des tensions bien supérieures à la température critique où se produisait la supraconductivité.

"Une partie de la charge doit venir en plus gros morceaux, quelles sont les paires, " dit-il. " C'est inhabituel, car dans un supraconducteur conventionnel, une fois que vous dépassez l'échelle d'énergie caractéristique associée à la supraconductivité, les paires se déchirent, et vous ne voyez que des frais uniques.

"Il semble que le LCSO contienne une autre échelle d'énergie où les paires se forment mais n'agissent pas encore collectivement, " a déclaré Natelson. " Les gens ont déjà proposé des théories sur ce genre de chose, mais c'est la première preuve directe de cela."

Natelson a déclaré qu'il était trop tôt pour dire si les physiciens peuvent utiliser les nouvelles connaissances pour amadouer les paires à s'écouler librement à des températures plus élevées dans les supraconducteurs non conventionnels. Mais Božović a déclaré que la découverte avait "des implications profondes" pour les physiciens théoriciens qui étudient les supraconducteurs à haute température et d'autres types de matière condensée.

"En quelques sortes, les chapitres du manuel doivent être réécrits, " Božović a déclaré. " À partir de cette étude, il semble que nous ayons un nouveau type de métal, dans lequel une fraction importante du courant électrique est transportée par des paires d'électrons. Côté expérimental, Je m'attends à ce que cette découverte déclenche beaucoup de travail de suivi, par exemple, utiliser la même technique pour tester d'autres cuprates ou supraconducteurs, isolants et épaisseurs de couche."