Des physiciens du laboratoire Ames du département américain de l'Énergie ont effectué avec succès des mesures d'un supraconducteur à base de fer dans un régime important mais difficile à atteindre où les fluctuations quantiques critiques dominent la physique. En utilisant une nouvelle technique de détection, ils ont cartographié avec précision la transition de phase quantique - un phénomène qui est théorisé comme étroitement lié à la supraconductivité - profondément à l'intérieur de l'état supraconducteur.

Le dispositif expérimental innovant, appelé magnétoscope à vide d'azote (NV), est très sensible, pratiquement non invasif, et plus précis que ceux précédemment utilisés pour explorer une physique similaire dans les matériaux supraconducteurs.

« C'est un résultat vraiment fascinant dans la science des supraconducteurs :obtenir une image claire de la façon dont la transition de phase quantique coexiste avec la supraconductivité. Il semble que la phase supraconductrice protège le comportement critique quantique des effets du désordre. C'est tout à fait remarquable ! » dit Prozorov, un physicien du Laboratoire Ames. "Alors que nous continuons à étudier d'autres matériaux avec cette nouvelle capacité, cela aidera à répondre à d'importantes questions théoriques sur l'origine de la supraconductivité non conventionnelle."

L'équipe a utilisé la portée NV pour mesurer avec précision la profondeur de pénétration de Londres, qui est la profondeur à laquelle un champ magnétique pénètre dans un supraconducteur depuis sa surface. Cette profondeur est directement liée à la masse effective des électrons, qui est la quantité affectée par les fluctuations quantiques et signale l'existence d'une transition de phase quantique. En mesurant systématiquement différentes compositions d'un composé de pnictide de fer, Ba(Fe, Co) 2 Comme 2 , cultivé au laboratoire Ames par le groupe de recherche de Paul Canfield, L'équipe de Prozorov a pu cartographier la présence de la transition de phase quantique normalement cachée sous la supraconductivité "dôme, " lorsque la température approche du zéro absolu.

Prozorov dirige une équipe de scientifiques dans son laboratoire à basse température au laboratoire Ames, examiner les comportements intrigants des supraconducteurs, et tenter de démêler comment divers phénomènes quantiques affectent leurs performances. Ils se spécialisent dans le développement de techniques expérimentales uniques de très haute précision et sensibles pour mesurer l'optique, signatures magnétiques et électriques de ces comportements. La portée NV a été construite à partir de zéro au laboratoire Ames par le scientifique Naufer Nusran et l'étudiant diplômé Kamal Joshi. C'est un magnétomètre optique qui tire parti de l'état quantique d'un type particulier de défaut atomique, appelés centres de vacance d'azote (NV), en diamant. Nusran a également conçu la nouvelle façon d'utiliser les centres NV pour mesurer le champ critique inférieur qui conduit à la profondeur de pénétration de Londres.

« La profondeur de pénétration de Londres est l'un des paramètres les plus fondamentaux décrivant les supraconducteurs ; elle vous indique essentiellement à quel point la supraconductivité est robuste, " a déclaré Prozorov. " J'ai mesuré cette quantité en utilisant différentes techniques pendant la majeure partie de ma carrière de chercheur et la détection NV représente une avancée significative dans la supraconductivité expérimentale. "

Il y a sept ans, Le laboratoire de Prozorov faisait partie d'une collaboration de recherche internationale qui a trouvé la première preuve claire que le point critique quantique (QCP) a survécu profondément dans l'état supraconducteur. Les travaux en cours, en utilisant de nouvelles approches, examine les systèmes supraconducteurs avec une quantité substantielle de désordre. Ensemble, ces travaux prouvent que la transition de phase quantique et les fluctuations critiques coexistent non seulement avec la supraconductivité, mais peut même en être protégé des effets du désordre. Les résultats sont un autre indice important pour résoudre le mystère de la supraconductivité à base de fer.

"Encore, il y a beaucoup plus à faire, afin d'explorer pleinement la science des supraconducteurs non conventionnels en général. Pour ça, des méthodes plus récentes et plus sophistiquées de détection quantique devront être développées », a déclaré Nusran. De nouvelles méthodes de détection quantique qui peuvent sonder les fluctuations quantiques à l'échelle nanométrique permettraient d'examiner plus en profondeur les phases quantiques concurrentes et coexistantes dans les supraconducteurs à haute température. et de nombreux autres problèmes de science des matériaux. "Ces nouvelles capacités permettront à terme de faire la lumière sur les conditions limites et la faisabilité des supraconducteurs et d'autres matériaux quantiques pour des applications technologiques."

La recherche est discutée plus en détail dans le document, "Transition de phase quantique à l'intérieur du dôme supraconducteur de Ba(Fe 1 fois Co X ) 2 Comme 2 de la magnétométrie optique à base de diamant" rédigé par Kamal R. Joshi, Naufer Nusran, Makariy A. Tanatar, Kyuil Cho, Sergey L Bud'ko, Paul C Canfield, Rafael M Fernandes, Alex Levchenko et Ruslan Prozorov; et publié dans le Nouveau Journal de Physique .