Ce diagramme schématique cartographie l'énergie de liaison (ou la bande interdite supraconductrice) des électrons individuels dans un supraconducteur à base d'oxyde de cuivre (cuprate) telle que mesurée par un microscope sensible balayant la surface. La taille des taches bleues et jaunes entourant les atomes individuels (tiges rouges avec des pointes de flèche indiquant leurs orientations de spin) indique la taille de l'écart énergétique (plus les taches sont grandes, plus l'écart est grand et plus la liaison de paires d'électrons est forte à cet endroit). Notez comment, lors de la numérisation sur des lignes horizontales, le motif augmente au maximum, puis diminue au minimum (pas de blobs), augmente jusqu'à un autre maximum avec l'orientation opposée (blobs jaunes et bleus inversés) puis à nouveau un minimum, répéter ce motif tous les huit rangs. Ces modulations sont la première preuve directe d'une « onde de densité de paires, " un état de la matière qui coexiste avec la supraconductivité et peut jouer un rôle dans son émergence. Crédit :Brookhaven National Laboratory
Pendant des années, les physiciens ont essayé de déchiffrer les détails électroniques des supraconducteurs à haute température. Ces matériaux pourraient révolutionner la transmission d'énergie et l'électronique en raison de leur capacité à transporter le courant électrique sans perte d'énergie lorsqu'ils sont refroidis en dessous d'une certaine température. Les détails de la structure électronique microscopique des supraconducteurs « à haute Tc » pourraient révéler comment différentes phases (états de la matière) entrent en compétition ou interagissent avec la supraconductivité, un état dans lequel des électrons de charge similaire surmontent d'une manière ou d'une autre leur répulsion pour s'apparier et circuler librement. Le but ultime est de comprendre comment faire en sorte que ces matériaux agissent comme des supraconducteurs sans avoir besoin de surfusion.
Maintenant, les scientifiques qui étudient les supraconducteurs à haute Tc au laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie ont des preuves définitives de l'existence d'un état de la matière connu sous le nom d'onde de densité de paires, prédit pour la première fois par les théoriciens il y a environ 50 ans. leurs résultats, publié dans la revue La nature , montrent que cette phase coexiste avec la supraconductivité dans un supraconducteur d'oxyde de cuivre à base de bismuth bien connu.
"C'est la première preuve spectroscopique directe que l'onde de densité de paire existe à un champ magnétique nul, " a déclaré Kazuhiro Fujita, le physicien qui a dirigé les recherches au Brookhaven Lab. "Nous avons identifié que l'onde de densité de paires joue un rôle important dans ce matériau. Nos résultats montrent que ces deux états de la matière, l'onde de densité de paires et la supraconductivité, coexistent et interagissent."
Les résultats de l'équipe proviennent de mesures de spectres à effet tunnel d'électrons uniques à l'aide d'un microscope à effet tunnel à imagerie spectroscopique (SI-STM) de pointe dans le laboratoire OASIS de Brookhaven.
"Ce que nous mesurons, c'est combien d'électrons à un endroit donné 'tunnel' de la surface de l'échantillon à la pointe de l'électrode supraconductrice du SI-STM et vice versa lorsque nous faisons varier l'énergie (tension) entre l'échantillon et la pointe, " a déclaré Fujita. "Avec ces mesures, nous pouvons cartographier le réseau cristallin et la densité électronique des états, ainsi que le nombre d'électrons que nous avons à un endroit donné."
Lorsque le matériau n'est pas supraconducteur, les électrons existent sur un spectre continu d'énergies, chacun se propageant à sa propre longueur d'onde unique. Mais quand la température baisse, les électrons commencent à interagir et à s'apparier lorsque le matériau entre dans l'état supraconducteur. Quand cela arrive, les scientifiques observent une lacune dans le spectre énergétique, créé par une absence d'électrons dans cette plage d'énergie particulière.
Kazuhiro Fujita (en haut) avec d'autres membres de l'équipe de recherche (de gauche à droite :Genda Gu, Sang Hyun Joo, Zengyi Du, Peter Johnson, et Hui Li) au microscope à effet tunnel à imagerie spectroscopique (SI-STM) du laboratoire OASIS de Brookhaven. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
"L'énergie de l'écart est égale à l'énergie qu'il faut pour séparer les paires d'électrons (ce qui vous indique à quel point elles étaient étroitement liées), " dit Fujita.
Alors que les scientifiques scrutaient la surface du matériau, ils ont détecté des structures de gap énergétique à modulation spatiale. Ces modulations dans l'écart énergétique ont révélé que la force de liaison des électrons varie—augmentant jusqu'à un maximum, puis plongeant au minimum, ce motif se répétant tous les huit atomes sur la surface du réseau cristallin régulièrement disposé.
Ce travail s'est appuyé sur des mesures précédentes montrant que le courant créé par des paires d'électrons entrant dans le microscope variait également de la même manière périodique. Ces modulations de courant ont été la première preuve, quoique quelque peu circonstanciel, que l'onde de densité de paire était présente.
"Les modulations dans le courant des électrons appariés sont un indicateur qu'il y a des modulations dans la façon dont les électrons sont fortement appariés à travers la surface. Mais cette fois, en mesurant le spectre d'énergie des électrons individuels, nous avons réussi à mesurer directement le gap modulant dans les spectres où se produit l'appariement. Les modulations de la taille de ces espaces sont une preuve spectroscopique directe que l'état d'onde de densité de paire existe, " dit Fujita.
Les nouveaux résultats comprenaient également des preuves d'autres signatures clés de l'onde de densité de paires - y compris des défauts appelés "demi-vortex" - ainsi que de ses interactions avec la phase supraconductrice.
En outre, les modulations de l'écart énergétique reflètent d'autres recherches du Brookhaven Lab indiquant l'existence de modèles de modulation de caractéristiques électroniques et magnétiques - parfois appelés « bandes » - qui se produisent également avec une périodicité de huit cellules dans certains supraconducteurs à haute teneur en cuprate de Tc.
« Ensemble, ces résultats indiquent que l'onde de densité de paires joue un rôle important dans les propriétés supraconductrices de ces matériaux. Comprendre cet état peut nous aider à comprendre le diagramme de phase complexe qui décrit comment les propriétés supraconductrices émergent dans différentes conditions, y compris la température, champ magnétique, et la densité des porteurs de charge, " dit Fujita.
