Lorsqu'il y a plusieurs processus en cours à la fois, établir des relations de cause à effet est difficile. Ce scénario est vrai pour une classe de supraconducteurs à haute température connus sous le nom de cuprates. Découvert il y a près de 35 ans, ces composés cuivre-oxygène peuvent conduire l'électricité sans résistance dans certaines conditions. Ils doivent être modifiés chimiquement (« dopés ») avec des atomes supplémentaires qui introduisent des électrons ou des trous (lacunes d'électrons) dans les couches d'oxyde de cuivre et refroidis à des températures inférieures à 100 Kelvin, des températures nettement plus élevées que celles nécessaires pour les supraconducteurs conventionnels. Mais comment exactement les électrons surmontent leur répulsion mutuelle et s'apparient pour circuler librement dans ces matériaux reste l'une des plus grandes questions de la physique de la matière condensée. La supraconductivité à haute température (HTS) fait partie des nombreux phénomènes qui se produisent en raison de fortes interactions entre les électrons, ce qui rend difficile de déterminer d'où il vient.

C'est pourquoi les physiciens du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie (DOE) étudient un cuprate bien connu contenant des couches d'oxyde de bismuth, oxyde de strontium, calcium, et l'oxyde de cuivre (BSCCO) ont décidé de se concentrer sur le côté "surdopé" le moins compliqué, dopant le matériau à tel point que la supraconductivité finit par disparaître. Comme ils l'ont signalé dans un article publié le 29 janvier dans Communication Nature , cette approche leur a permis d'identifier que des interactions purement électroniques conduisent probablement à un HTS.

"La supraconductivité dans les cuprates coexiste généralement avec des arrangements périodiques de charge électrique ou de spin et de nombreux autres phénomènes qui peuvent rivaliser avec ou aider la supraconductivité, compliquer l'image, " a expliqué la première auteure Tonica Valla, un physicien dans le groupe de spectroscopie électronique de la division Physique de la matière condensée et science des matériaux du Brookhaven Lab. "Mais ces phénomènes s'affaiblissent ou disparaissent complètement avec le surdopage, ne laissant que de la supraconductivité. Ainsi, c'est la région parfaite pour étudier l'origine de la supraconductivité. Nos expériences ont découvert une interaction entre les électrons dans BSCCO qui est corrélée un à un avec la supraconductivité. La supraconductivité apparaît exactement au moment où cette interaction apparaît pour la première fois et devient plus forte à mesure que l'interaction se renforce."

Ce n'est que très récemment qu'il est devenu possible de surdoper des échantillons de cuprate au-delà du point où la supraconductivité disparaît. Précédemment, un cristal massif du matériau serait recuit (chauffé) dans de l'oxygène gazeux à haute pression pour augmenter la concentration d'oxygène (le matériau dopant). La nouvelle méthode, que Valla et d'autres scientifiques de Brookhaven ont démontrée pour la première fois il y a environ un an à OASIS, un nouvel instrument sur site pour la préparation et la caractérisation des échantillons - utilise de l'ozone au lieu de l'oxygène pour recuire les échantillons clivés. Le clivage consiste à casser le cristal sous vide pour créer des surfaces parfaitement planes et propres.

"Le pouvoir d'oxydation de l'ozone, ou sa capacité à accepter des électrons, est beaucoup plus fort que celui de l'oxygène moléculaire, " a expliqué le co-auteur Ilya Drozdov, un physicien du groupe Oxide Molecular Beam Epitaxy (OMBE) de la division. "Cela signifie que nous pouvons apporter plus d'oxygène dans le cristal pour créer plus de trous dans les plans d'oxyde de cuivre, où se produit la supraconductivité. Chez OASIS, nous pouvons surdoper les couches superficielles du matériau jusqu'à la région non supraconductrice et étudier les excitations électroniques qui en résultent."

OASIS combine un système OMBE pour la croissance de films minces d'oxyde avec des instruments de spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (ARPES) et de microscopie spectroscopique à effet tunnel (SI-STM) pour étudier la structure électronique de ces films. Ici, les matériaux peuvent être cultivés et étudiés en utilisant le même système à ultravide connecté pour éviter l'oxydation et la contamination par le dioxyde de carbone, l'eau, et d'autres molécules dans l'atmosphère. Parce que l'ARPES et le SI-STM sont des techniques extrêmement sensibles aux surfaces, des surfaces immaculées sont essentielles pour obtenir des mesures précises.

Pour cette étude, co-auteur Genda Gu, un physicien du groupe de diffusion des neutrons de la division, fait pousser des cristaux de BSCCO en vrac. Drozdov a recuit les cristaux clivés dans l'ozone dans la chambre OMBE à OASIS pour augmenter le dopage jusqu'à ce que la supraconductivité soit complètement perdue. Le même échantillon a ensuite été recuit sous vide afin de réduire progressivement le dopage et d'augmenter la température de transition à laquelle émerge la supraconductivité. Valla a analysé la structure électronique de BSCCO à travers ce diagramme de phase dopage-température via ARPES.

"ARPES vous donne l'image la plus directe de la structure électronique de n'importe quel matériau, " dit Valla. " La lumière excite les électrons d'un échantillon, et en mesurant leur énergie et l'angle sous lequel ils s'échappent, vous pouvez recréer l'énergie et la quantité de mouvement des électrons alors qu'ils étaient encore dans le cristal."

En mesurant cette relation énergie/impulsion, Valla a détecté un pli (anomalie) dans la structure électronique qui suit la température de transition supraconductrice. Le pli devient plus prononcé et passe à des énergies plus élevées à mesure que cette température augmente et que la supraconductivité devient plus forte, mais disparaît en dehors de l'état supraconducteur. Sur la base de ces informations, il savait que l'interaction créant les paires d'électrons nécessaires à la supraconductivité ne pouvait pas être un couplage électron-phonon, comme théorisé pour les supraconducteurs conventionnels. Sous cette théorie, phonons, ou vibrations d'atomes dans le réseau cristallin, servir de force d'attraction pour les électrons autrement répulsifs par l'échange de quantité de mouvement et d'énergie.

"Notre résultat nous a permis d'exclure le couplage électron-phonon car les atomes du réseau peuvent vibrer et les électrons peuvent interagir avec ces vibrations, que le matériau soit supraconducteur ou non, " dit Valla. " Si des phonons étaient impliqués, nous nous attendrions à voir le pli dans l'état supraconducteur et normal, et le pli ne changerait pas avec le dopage."

L'équipe pense que quelque chose de similaire au couplage électron-phonon se produit dans ce cas, mais au lieu de phonons, une autre excitation est échangée entre les électrons. Il semble que les électrons interagissent par des fluctuations de spin, qui sont liés aux électrons eux-mêmes. Les fluctuations de spin sont des changements dans le spin des électrons, ou la façon dont les électrons pointent vers le haut ou vers le bas comme de minuscules aimants.

De plus, les scientifiques ont découvert que l'énergie du pli est inférieure à celle d'une énergie caractéristique à laquelle apparaît un pic aigu (résonance) dans le spectre de fluctuation de spin. Leur découverte suggère que l'apparition de fluctuations de spin (au lieu du pic de résonance) est responsable du pli observé et peut être la "colle" qui lie les électrons dans les paires requises pour HTS.

Prochain, l'équipe prévoit de collecter des preuves supplémentaires montrant que les fluctuations de spin sont liées à la supraconductivité en obtenant des mesures SI-STM. Ils réaliseront également des expériences similaires sur un autre cuprate bien connu, oxyde de lanthane strontium cuivre (LSCO).

"Pour la première fois, nous voyons quelque chose qui est fortement corrélé avec la supraconductivité, " dit Valla. " Après toutes ces années, nous avons maintenant une meilleure compréhension de ce qui peut causer la supraconductivité non seulement dans BSCCO mais aussi dans d'autres cuprates."