Le schéma montre comment un motif de speckle est mesuré :d'abord le faisceau de rayons X cohérent délivré par la ligne de lumière est focalisé sur l'échantillon, puis les rayons X sont diffusés par l'échantillon à un angle spécifique (sensible à la présence d'onde de densité de charge) et capturés par le détecteur CCD. Le sténopé fournit un masque, permettant aux chercheurs d'éclairer seulement une petite, zone spécifique de l'échantillon. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Dans le domaine de la supraconductivité - la capacité d'un matériau à conduire l'électricité avec une résistance pratiquement nulle - les supraconducteurs à haute température (HTSC) sont des candidats possibles pour une nouvelle génération de technologies avancées. Un sous-ensemble de ceux-ci, les « cuprates, " qui sont des matériaux cristallins à base de plans d'oxyde de cuivre, sont particulièrement prometteurs. Mais les scientifiques ont encore besoin d'en apprendre beaucoup plus sur ces matériaux avant de les intégrer, des applications à température ambiante sont possibles. Actuellement, même les supraconducteurs "haute température" doivent être refroidis à très, températures très froides par rapport aux normes quotidiennes.
Travaillant au laboratoire national de Brookhaven du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), des chercheurs de Brookhaven et de l'University College London ont récemment découvert quelque chose de nouveau et de très surprenant à propos d'un type d'arrangement de charge électrique périodique, qui coexiste avec la supraconductivité dans les cuprates, connue sous le nom d'onde de densité de charge (CDW). Ils ont constaté que l'ordre CDW spécifique au sein de leur échantillon était "souvenu" lorsque l'échantillon était chauffé à plusieurs reprises au-delà de la température à laquelle le CDW disparaissait. Cette découverte ouvre une nouvelle voie de recherche sur le fonctionnement de ces matériaux intrigants, rapprocher les scientifiques d'une image complète du comportement électronique des cuprates.
"Ce serait comme faire fondre un tas de glaçons, puis les recongeler - et découvrir qu'ils se recongelent en un tas de cubes identiques, même au niveau microscopique, " a expliqué Claudio Mazzoli, physicien du Brookhaven Lab, l'un des chercheurs impliqués dans l'étude. "Personne ne s'attendrait à voir ça."
Mazzoli et ses co-chercheurs décrivent leurs travaux dans le 29 mars, Édition en ligne 2019 de Nature Communications.
Le comportement électronique des cuprates, comme pour tous les HTSC, est assez complexe. Comme le nom l'indique, les électrons qui composent un CDW forment un motif d'ondes stationnaires périodique. Des CDW ont été observés dans presque tous les cuprates, mais leur rôle dans la supraconductivité n'est pas encore entièrement compris. Concurrencent-ils la supraconductivité ? Y participent-ils ? Est-ce qu'ils entravent la supraconductivité de certaines manières et l'ajoutent peut-être à d'autres ? Les scientifiques y travaillent encore.
« Dans les HTSC, tout arrangement d'électrons intéresse les chercheurs, " a déclaré le physicien de Brookhaven Mark Dean, un autre des auteurs de l'article. "Le but est d'étudier ces arrangements et de les ajuster - ou peut-être de les supprimer - afin que la température de transition supraconductrice du matériau puisse approcher, ou peut-être surpasser, température ambiante. Pour faire ça, nous devons en apprendre le plus possible sur le comportement des électrons et leurs structures dans les HTSC."
Une chose que les chercheurs savent, c'est que les cuprates contenant les mêmes plans d'oxyde de cuivre, mais disposés d'une manière légèrement différente, peuvent avoir des CDW avec des propriétés radicalement différentes. Il semble, alors, que la partie du réseau cristallin qui héberge le CDW a un effet sur le CDW.
Ici, le groupe a entrepris d'en apprendre davantage sur la relation entre la structure en treillis du matériau et le comportement CDW. Leur système modèle était un cuprate connu sous le nom de LBCO pour les composés qu'il contient :lanthane, baryum, le cuivre, et de l'oxygène. LBCO a une température de transition - la température en dessous de laquelle il affiche le CDW, et au-dessus de laquelle il ne le fait pas - de 54 degrés Kelvin (K) (bien qu'équivalent à environ -360 degrés Fahrenheit, cette température est encore relativement élevée dans le monde des supraconducteurs).
Le groupe a voulu découvrir comment les imperfections du réseau cristallin LBCO peuvent stabiliser le CDW. Ils se sont intéressés à une distorsion de réseau bien connue qui se produit dans le matériau :une inclinaison de la forme octaédrique formée par des atomes de cuivre et d'oxygène liés. Cette inclinaison tend à ancrer le CDW au réseau de telle sorte qu'il s'oriente dans une certaine direction; il apparaît que le CDW peut être sensible aux inhomogénéités spatiales, ou domaines, du treillis. Cette relation entre le CDW et les domaines, comme suggéré par le comportement en température découvert dans cette étude, peut être propre à LBCO. Il sera très important de comprendre s'il s'agit d'une caractéristique générale des cuprates.
Le groupe a fait passer son échantillon de LBCO à travers une plage de températures, le chauffer et le refroidir à plusieurs reprises, tout en le sondant avec des rayons X à Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), une installation utilisateur du DOE Office of Science. Au niveau de la ligne de faisceaux Coherent Soft X-Ray Scattering (CSX), ils ont utilisé une technique connue sous le nom de diffraction cohérente des rayons X par résonance, dans lequel les rayons X sont diffusés à partir de différents domaines dans l'arrangement spatial CDW, interférer les uns avec les autres, et forment un motif « speckle » qui est capturé par une caméra spéciale. L'analyse de ce modèle donne des informations sur les caractéristiques du CDW.
Cette tâche - observer directement un CDW tout en suivant ses modifications, sur une plage de températures - est collectivement très difficile, en grande partie en raison des distances très courtes qui caractérisent les caractéristiques d'un CDW. NSLS-II est particulièrement adapté à ce type d'investigation en raison de la nature cohérente de la lumière qu'il produit, ce qui signifie que les ondes lumineuses voyagent à l'unisson plutôt que désynchronisées et brouillées. Les sources lumineuses plus anciennes n'ont pas de faisceaux aussi hautement cohérents.
L'analyse du speckle a révélé que l'ordre CDW spécifique présent en dessous de 54 K est revenu même lorsque l'échantillon a été soumis à plusieurs cycles à des températures beaucoup plus élevées, jusqu'à environ 240 K (environ -28 °F). Les chercheurs pensent que les changements structurels qui se produisent dans le cristal en dessous de 240 K créent un "paysage d'épinglage" qui ancre le CDW au réseau.
"Nos travaux ouvrent une nouvelle voie pour étudier l'interaction complexe entre charge et degrés de liberté du réseau dans les cuprates supraconducteurs, " a déclaré l'auteur principal de l'article, Xiaoqian Chen, chercheur au département de physique de la matière condensée et de science des matériaux de Brookhaven au moment de la réalisation de cette étude (elle travaille maintenant au Lawrence Berkeley National Laboratory). "C'est aussi une excellente démonstration de la façon dont NSLS-II peut être utilisé pour étudier les phases quantiques des matériaux et leur spectaculaire, propriétés inattendues."
"Ce résultat souligne l'importance vitale du rôle des domaines nanométriques dans la supraconductivité à haute température. Sans les effets d'épinglage de domaine qui ont été observés, le CDW pourrait transporter du courant et perturber davantage la supraconductivité, " a ajouté le co-auteur Ian Robinson, un physicien à Brookhaven ainsi qu'à l'University College London. « L'imagerie de ces structures de domaine de « phase » subtiles en est encore à ses balbutiements et ce travail met en évidence la nécessité de développer de meilleures techniques d'imagerie afin que les détails structurels puissent être vus directement."
