De l'énergie durable aux ordinateurs quantiques :les supraconducteurs à haute température ont le potentiel de révolutionner les technologies d'aujourd'hui. Malgré des recherches intensives, cependant, nous manquons encore des connaissances de base nécessaires pour développer ces matériaux complexes pour une application généralisée. La "spectroscopie de Higgs" pourrait apporter un tournant car elle révèle la dynamique des électrons appariés dans les supraconducteurs. Un consortium de recherche international centré autour du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) et du Max Planck Institute for Solid State Research (MPI-FKF) présente maintenant la nouvelle méthode de mesure dans la revue Communication Nature . Remarquablement, la dynamique révèle également des précurseurs typiques de la supraconductivité, même au-dessus de la température critique à laquelle les matériaux étudiés atteignent la supraconductivité.

Les supraconducteurs transportent le courant électrique sans perte d'énergie. Leur utilisation pourrait réduire considérablement nos besoins en énergie, si ce n'était du fait que la supraconductivité nécessite des températures de -140 degrés Celsius et moins. Les matériaux n'activent leur supraconductivité qu'en dessous de ce point. Tous les supraconducteurs connus nécessitent des méthodes de refroidissement élaborées, ce qui les rend peu pratiques à des fins quotidiennes. Il y a des promesses de progrès dans les supraconducteurs à haute température tels que les cuprates, des matériaux innovants à base d'oxyde de cuivre. Le problème est qu'en dépit de nombreuses années d'efforts de recherche, leur mode de fonctionnement exact reste incertain. La spectroscopie de Higgs pourrait changer cela.

La spectroscopie de Higgs permet de nouvelles connaissances sur la supraconductivité à haute température

« La spectroscopie de Higgs nous offre une toute nouvelle « loupe » pour examiner les processus physiques, " Rapporte le Dr Jan-Christoph Deinert. Le chercheur de l'Institut de physique des radiations HZDR travaille sur la nouvelle méthode aux côtés de collègues du MPI-FKF, les universités de Stuttgart et de Tokyo, et d'autres institutions de recherche internationales. Ce que les scientifiques souhaitent le plus découvrir, c'est comment les électrons forment des paires dans les supraconducteurs à haute température.

En supraconductivité, les électrons se combinent pour créer des "paires de Cooper, " qui leur permet de se déplacer par paires dans le matériau sans aucune interaction avec leur environnement. Mais qu'est-ce qui fait que deux électrons s'apparient alors que leur charge les fait en réalité se repousser ? Pour les supraconducteurs conventionnels, il y a une explication physique :"Les électrons s'apparient à cause des vibrations du réseau cristallin, " explique le professeur Stefan Kaiser, l'un des principaux auteurs de l'étude, qui étudie la dynamique dans les supraconducteurs au MPI-FKF et à l'Université de Stuttgart. Un électron déforme le réseau cristallin, qui attire alors le deuxième électron. Pour les cuprates, cependant, il n'a pas été clair jusqu'à présent quel mécanisme agit à la place des vibrations du réseau. "Une hypothèse est que l'appariement est dû à des spins fluctuants, c'est-à-dire interaction magnétique, " explique Kaiser. " Mais la question clé est :leur influence sur la supraconductivité et en particulier sur les propriétés des paires de Cooper peut-elle être mesurée directement ?

À ce stade, les « oscillations de Higgs » entrent en scène :en physique des hautes énergies, ils expliquent pourquoi les particules élémentaires ont une masse. Mais ils se produisent aussi dans les supraconducteurs, où ils peuvent être excités par de fortes impulsions laser. Ils représentent les oscillations du paramètre d'ordre - la mesure de l'état supraconducteur d'un matériau, en d'autres termes, la densité des paires de Cooper. Tant pis pour la théorie. Une première preuve expérimentale a réussi il y a quelques années lorsque des chercheurs de l'Université de Tokyo ont utilisé une impulsion lumineuse ultracourte pour exciter des oscillations de Higgs dans des supraconducteurs conventionnels, comme mettre en mouvement un pendule. Pour les supraconducteurs à haute température, cependant, une telle impulsion ponctuelle ne suffit pas, car le système est trop amorti par les interactions entre les électrons supraconducteurs et non supraconducteurs et la symétrie compliquée du paramètre d'ordre.

La source de lumière térahertz maintient le système oscillant

Grâce à la spectroscopie de Higgs, le consortium de recherche autour de MPI-FKF et HZDR a maintenant réalisé la percée expérimentale pour les supraconducteurs à haute température. Leur astuce consistait à utiliser un multi-cyclique, impulsion térahertz extrêmement forte qui est réglée de manière optimale sur l'oscillation de Higgs et peut la maintenir malgré les facteurs d'amortissement, en poussant en permanence le pendule métaphorique. Avec la source lumineuse térahertz haute performance TELBE au HZDR, les chercheurs sont capables d'en envoyer 100, 000 de ces impulsions à travers les échantillons par seconde. "Notre source est unique au monde de par sa forte intensité dans le domaine térahertz combinée à un taux de répétition très élevé, " explique Deinert. " Nous pouvons maintenant piloter sélectivement les oscillations de Higgs et les mesurer très précisément. "

Ce succès est dû à une coopération étroite entre les scientifiques théoriques et expérimentaux. L'idée a germé au MPI-FKF; l'expérimentation a été menée par l'équipe TELBE, dirigé par le Dr Jan-Christoph Deinert et le Dr Sergey Kovalev au HZDR sous la direction du professeur Michael Gensch, alors chef de groupe, qui effectue actuellement des recherches au Centre aérospatial allemand et à la TU de Berlin :« Les expériences sont d'une importance particulière pour l'application scientifique des installations de recherche à grande échelle en général. Elles démontrent qu'une source térahertz à haute puissance telle que TELBE peut gérer une enquête complexe en utilisant la spectroscopie térahertz non linéaire sur une série compliquée d'échantillons, comme les cuprates."

C'est pourquoi l'équipe de recherche s'attend à une forte demande à l'avenir :« La spectroscopie de Higgs en tant qu'approche méthodologique ouvre de tout nouveaux potentiels, " explique le Dr Hao Chu, auteur principal de l'étude et postdoc au Max Planck-UBC-UTokyo Center for Quantum Materials. "C'est le point de départ d'une série d'expériences qui fourniront de nouvelles informations sur ces matériaux complexes. Nous pouvons maintenant adopter une approche très systématique."

Juste au-dessus de la température critique :où commence la supraconductivité ?

Réalisation de plusieurs séries de mesures, les chercheurs ont d'abord prouvé que leur méthode fonctionne pour les cuprates typiques. En dessous de la température critique, l'équipe de recherche n'a pas seulement été capable d'exciter les oscillations de Higgs, mais a également prouvé qu'un nouveau, une excitation auparavant non observée interagit avec les oscillations de Higgs des paires de Cooper. D'autres expériences devront révéler si ces interactions sont des interactions magnétiques, comme cela est âprement débattu dans les cercles d'experts. Par ailleurs, les chercheurs ont vu des indications selon lesquelles des paires de Cooper peuvent également se former au-dessus de la température critique, mais sans osciller ensemble. D'autres méthodes de mesure ont précédemment suggéré la possibilité d'une telle formation précoce de paires. La spectroscopie de Higgs pourrait étayer cette hypothèse et clarifier quand et comment les paires se forment et ce qui les fait osciller ensemble dans le supraconducteur.