La dépendance à la température de l'inverse du carré de la profondeur de pénétration magnétique, qui est proportionnelle à la densité superfluide, mesurée par la méthode de l'oscillateur à diode tunnel. Les lignes montrent des ajustements aux données à l'aide de divers modèles, où l'on peut voir que le modèle d'onde s¬ avec un écart complètement ouvert n'est pas d'accord avec les données, mais le modèle nodal « s+p » peut bien décrire les résultats. Crédit :Shang et al.
Dans la grande majorité des matériaux supraconducteurs, Les paires de Cooper ont ce qu'on appelle la parité paire, ce qui signifie essentiellement que leur fonction d'onde ne change pas lorsque les électrons échangent leurs coordonnées spatiales. Inversement, certains supraconducteurs non conventionnels contiennent des paires de Cooper impaires. Cette qualité rend ces matériaux non conventionnels particulièrement prometteurs pour les applications d'informatique quantique.
Des études antérieures ont prédit que les supraconducteurs non centrosymétriques, qui ont une structure cristalline sans centre d'inversion, pourraient présenter des propriétés uniques et inhabituelles. Dans les années récentes, les supraconducteurs non centrosymétriques sont devenus un sujet de recherche populaire en raison de la structure des paires de Cooper qu'ils contiennent, qui ont un mélange de parité impaire et paire.
CaPtAs est un nouveau supraconducteur non centrosymétrique découvert par des chercheurs de l'Université du Zhejiang. En collaboration avec des scientifiques de l'Institut Paul Scherrer et d'autres instituts dans le monde, ces chercheurs ont récemment mené une étude sur la supraconductivité non conventionnelle dans ce composé. Leur papier, Publié dans Lettres d'examen physique , offre la preuve que dans son état supraconducteur, CaPtAs présente simultanément à la fois une supraconductivité nodale et une rupture de symétrie d'inversion du temps (TRS).
"La structure cristalline de CaPtAs était connue pour être non centrosymétrique, et donc, nous avons pensé qu'il serait intéressant de déterminer si c'est aussi un supraconducteur, " Huiqiu Yuan, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. « Dans un article publié plus tôt cette année, nous avons signalé que CaPtAs est en effet un supraconducteur non centrosymétrique, qui devient supraconducteur en dessous de 1,5 K. Nous avons également vu des indices de propriétés supraconductrices inhabituelles, à savoir un espace supraconducteur nodal.
Les observations recueillies dans leurs travaux précédents ont inspiré Yuan et ses collègues à collecter des mesures avancées qui leur permettraient d'examiner plus en profondeur les propriétés supraconductrices non conventionnelles des CaPtA. L'objectif principal de leur étude récente était de déterminer si, lorsque CaPtAs est dans son état supraconducteur, la symétrie d'inversion temporelle est brisée.
Les chercheurs ont également mesuré la profondeur de pénétration magnétique du supraconducteur non centrosymétrique à très basse température, pour mieux comprendre la structure de son gap supraconducteur. Plus précisement, ils voulaient déterminer si l'espace supraconducteur du matériau présentait ce qu'on appelle des « nœuds, " points auxquels l'amplitude de l'écart est égale à zéro.
« Dans notre étude, la preuve de la rupture de la symétrie par inversion du temps est venue de l'utilisation de la technique de relaxation/rotation du spin du muon (μSR), tandis que la preuve de la supraconductivité nodale provenait à la fois de μSR, la méthode de l'oscillateur à diode tunnel (TDO), ainsi que la chaleur spécifique, " dit Yuan.
La relaxation/rotation du spin des muons (μSR) est une méthode puissante pour mesurer avec précision les champs magnétiques à l'intérieur d'un matériau, qui utilise des anti-muons chargés positivement comme sonde. Une signature de la rupture de symétrie d'inversion du temps dans un supraconducteur est que de très petits champs magnétiques apparaissent spontanément lorsque le supraconducteur est refroidi à sa température critique. μSR est l'une des rares techniques existantes suffisamment sensibles pour détecter des champs magnétiques aussi faibles à l'intérieur des matériaux.
"Nous avons implanté les muons polarisés en spin dans le supraconducteur, " a expliqué Tian Shang de l'Institut Paul Scherrer. " Les muons positifs sont générés dans des installations de mesure spécialisées en entrant en collision un faisceau de protons avec une cible de carbone. Nos expériences μSR ont été réalisées à l'Institut Paul Scherrer en Suisse."
Les muons sont des particules élémentaires très instables qui se désintègrent rapidement, présentant une demi-vie de 2,2 µs, en un positon et deux neutrinos. Le spin d'un muon est généralement affecté par les champs magnétiques à l'intérieur d'un matériau. Par conséquent, implanter des muons à l'intérieur d'un matériau permet aux chercheurs de reconstituer la nature de ces champs magnétiques, simplement en mesurant la distribution des positons émis dans le temps.
"En particulier, on compte généralement le nombre de positons aux extrémités opposées de l'échantillon, et comment la différence entre ces nombres, l'asymétrie, " les changements au fil du temps peuvent être utilisés pour détecter les minuscules champs magnétiques supplémentaires lorsque la symétrie d'inversion du temps est brisée, " dit Shang.
Le terme physique « supraconductivité nodale » fait référence à la nature de la bande interdite à l'intérieur d'un supraconducteur, qui est l'énergie de seuil requise pour séparer une paire de Cooper. Dans les supraconducteurs nodaux, cet écart énergétique est nul pour les paires de Cooper se déplaçant dans certaines directions. Cela signifie que l'énergie thermique peut séparer les paires de Cooper même à des températures très basses.
L'asymétrie en fonction du temps à partir des mesures de relaxation du spin du muon de CaPtAs en champ zéro (ZF) et un petit champ appliqué le long de la direction initiale du spin du muon (LF). L'asymétrie ZF diminue plus rapidement avec le temps en dessous de la transition supraconductrice à 0,02K qu'à 2,5 K, ce qui montre qu'il y a des champs magnétiques supplémentaires émergeant à l'état supraconducteur, qui est une signature de symétrie de renversement du temps brisée. Crédit :Shang et al.
La supraconductivité nodale peut ainsi être détectée en comptant la quantité de paires de Cooper dans un matériau. Si le nombre de paires de Cooper à l'intérieur d'un supraconducteur continue d'augmenter à mesure que la température est abaissée bien en dessous de la température critique supraconductrice, on peut s'attendre à ce que le matériau présente une supraconductivité nodale.
"Nous avons mesuré la profondeur de pénétration magnétique des CaPtAs en fonction de la température jusqu'à des températures très basses (inférieures à 0,1 K) en utilisant deux méthodes, à partir de laquelle il est possible de déterminer comment le nombre de paires de Cooper évolue avec la température, " Michael Smidman de l'Université du Zhejiang a déclaré. " Une méthode pour le faire est μSR, où un champ magnétique est appliqué au matériau. Puisque CaPtAs est un supraconducteur de type II, le champ pénétrera dans le matériau via des lignes de flux magnétique pour former un réseau de vortex et la distribution de ces lignes de flux peut être détectée à l'aide de μSR. La distribution dépend de la profondeur de pénétration magnétique, donc la quantité de paires de Cooper est alors facile à déterminer."
Yuan et ses collègues ont également utilisé un autre outil de mesure appelé oscillateur à diode tunnel (TDO). Les TDO sont des instruments très sensibles pour mesurer la dépendance à la température de la profondeur de pénétration magnétique.
Essentiellement, les chercheurs ont placé des CaPtAs dans une bobine, qui fait partie d'un circuit LC. Le courant dans cette bobine génère un très petit champ magnétique qui ne peut pas pénétrer profondément dans le supraconducteur en raison de l'effet Meissner, pourtant il peut encore atteindre une certaine distance au-dessous de sa surface.
« Cette distance est caractérisée par une grandeur connue sous le nom de profondeur de pénétration magnétique, " expliqua Yuan. " Si la profondeur de pénétration du supraconducteur change avec la température, alors l'inductance de la bobine change également, et cela peut être détecté en mesurant le changement de la fréquence de résonance du circuit LC."
En appliquant ces techniques au supraconducteur CaPtAs, les chercheurs ont rassemblé des preuves de sa supraconductivité nodale. Plus précisement, quand ils ont calculé le nombre de paires de Cooper dans le matériau, ils ont découvert que leurs résultats pouvaient être expliqués par des modèles dans lesquels l'écart dans le supraconducteur est nodal.
« Cela était particulièrement évident du fait que lorsque la température diminuait, la densité superfluide a continué d'augmenter, " a déclaré Smidman. " Si CaPtAs était un supraconducteur entièrement la densité superfluide saturerait à basse température."
Alors que de nombreux chercheurs avaient précédemment prédit la présence de caractéristiques supraconductrices inhabituelles dans les supraconducteurs non centrosymétriques, cela n'a pas toujours été confirmé expérimentalement. Des études antérieures ont identifié une poignée de supraconducteurs magnétiques non centrosymétriques avec une supraconductivité qui diffère clairement des mécanismes conventionnels électron-phonon décrits par la théorie de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS), qui se manifeste par des phénomènes physiques inhabituels. Cependant, de nombreux supraconducteurs non centrosymétriques sans ions magnétiques présentaient des propriétés similaires à leurs homologues centrosymétriques conventionnels.
"Dans certains cas, la symétrie de renversement du temps brisée se trouve dans les supraconducteurs non centrosymétriques, pourtant leurs autres propriétés ressemblent encore beaucoup aux supraconducteurs conventionnels, " dit Yuan. " En particulier, ils ont généralement des entrefers supraconducteurs complètement ouverts. Nos résultats fournissent des preuves de la supraconductivité nodale et de la rupture de symétrie d'inversion temporelle dans les CaPtAs, et nous permettent ainsi d'établir un lien entre ce qui avait généralement été des types distinctement différents de supraconducteurs non centrosymétriques. »
Yuan et ses collègues ont découvert que la supraconductivité nodale dans CaPtAs ressemble à celle observée dans les supraconducteurs magnétiques non centrosymétriques. Cela signifie que CaPtAs pourrait être un candidat de choix pour étudier l'appariement mixte singulet-triplet que l'on s'attendrait à trouver dans ces systèmes.
L'étude offre également des informations précieuses sur les mécanismes possibles derrière la rupture du TRS dans une large gamme de supraconducteurs. À l'avenir, d'autres équipes de recherche pourraient s'inspirer de leurs travaux et utiliser les CaPtA pour étudier les mécanismes de la supraconductivité topologique et du TRS.
"Bien que nous ayons des preuves d'un état supraconducteur inhabituel dans les CaPtA avec à la fois une supraconductivité nodale et une symétrie d'inversion temporelle brisée, la structure détaillée du gap supraconducteur et les mécanismes sous-jacents à l'origine de ces comportements restent à déterminer, " ajouta Yuan. " Dans nos prochaines études, nous sommes intéressés à identifier une forme spécifique de l'appariement supraconducteur qui peut expliquer ces deux résultats, et ensuite de comprendre au niveau microscopique en quoi le CaPtAs provoque cette nouvelle supraconductivité. Nous aimerions également déterminer si la supraconductivité topologique peut être réalisée dans les CaPtAs."
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