Des scientifiques de l'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech) élucident la cause sous-jacente des différentes températures de transition critiques signalées pour les supraconducteurs ultrafins de séléniure de fer (FeSe). Leurs résultats clarifient pourquoi l'interface entre la première couche de FeSe et son substrat joue un rôle essentiel dans la supraconductivité, donnant de nouvelles perspectives sur un puzzle de longue date dans ce domaine.

Les supraconducteurs sont des matériaux qui, en dessous d'une certaine température, possèdent des propriétés électromagnétiques fascinantes. Ils présentent une résistance nulle, ce qui signifie qu'ils conduisent l'électricité sans perdre d'énergie sous forme de chaleur, et peut également repousser complètement les champs magnétiques externes. À cause de tels exploits, les supraconducteurs sont très attractifs pour les études de physique fondamentale et les applications électroniques.

Même si cela fait quatorze ans que les supraconducteurs à base de fer ont été découverts, les scientifiques sont encore perdus quant aux mécanismes sous-jacents de la supraconductivité dans les couches ultrafines de séléniure de fer (FeSe). Alors que la température de transition critique (Tc) en dessous de laquelle FeSe se comporte comme un supraconducteur est de 8 K, des valeurs significativement différentes ont été rapportées pour des monocouches de cristaux de FeSe cultivés uniformément sur un substrat de titanate de strontium (STO); ces valeurs vont de 40 K à 109 K.

Dans une étude récente publiée dans Lettres d'examen physique , Le professeur Satoru Ichinokura et ses collègues de Tokyo Tech ont fait la lumière sur ce problème. Ichinokura décrit le problème posé :« Même si plusieurs études indiquent que l'interface entre FeSe et STO, ou la zone où FeSe et STO entrent en contact, joue un rôle essentiel dans l'amélioration du Tc, il y a de la place pour d'autres travaux pour expliquer avec précision l'origine microscopique de ce comportement. il y a aussi un débat en cours concernant la profondeur à laquelle la supraconductivité se produit par rapport à l'épaisseur du film de FeSe.

Pour aborder ces questions, les chercheurs ont préparé des échantillons en empilant du FeSe à des épaisseurs allant d'une à cinq couches de cellules unitaires sur un substrat STO isolant. Grâce à des mesures par sonde à quatre points dans le vide, ils en ont déduit la résistivité (l'inverse de la conductivité) des échantillons à différentes températures et différentes profondeurs. D'abord, ils ont trouvé des preuves définitives que leurs mesures électriques correspondent à la conduction le long des films de FeSe, sans influence du substrat STO sous-jacent. Plus important, ils ont systématiquement observé une chute de résistivité marquée à 40 K (indiquant le début de la supraconductivité; voir la figure ) quelle que soit l'épaisseur de la couche de FeSe. Ichinokura remarque :"Ces résultats suggèrent sans ambiguïté que la supraconductivité à haute température est essentiellement située à l'interface entre FeSe et STO ou au niveau de la monocouche FeSe la plus basse sans se propager vers les couches supérieures."

Maintenant, pourquoi d'autres études ont-elles rapporté des valeurs de Tc différentes ? Après avoir examiné attentivement les travaux antérieurs, Ichinokura et ses collègues concluent que les différences dans le nombre de dopants dans le substrat STO ou les lacunes en oxygène dans les couches souterraines STO sont responsables de la variabilité des valeurs de Tc. Dans certaines études antérieures, la procédure de fabrication employée est susceptible d'avoir induit des lacunes d'oxygène à la surface de la couche de STO par ailleurs uniforme. Chez les autres, STO dopé avec des impuretés de niobium a été utilisé. Ces différences dans le substrat permettent à plus de porteurs de charge (électrons) d'atteindre l'interface STO/FeSe, qui se traduit par une supraconductivité soutenue même à des températures plus élevées (en d'autres termes, augmentation de la Tc).

Excité par ces résultats, Ichinokura conclut :"Nos résultats indiquent fortement la nature interfaciale de la supraconductivité bidimensionnelle observée dans FeSe/STO et reconfirment l'importance de l'accumulation de charges du substrat dans l'interface. Nous avons pu obtenir de nouvelles informations sur le puzzle de longue date de trouver un faible Tc d'environ 40 K lors de l'utilisation de substrats STO isolants au lieu de substrats conducteurs." Cette étude nous rapproche un peu plus de l'élucidation des mystères concernant la supraconductivité améliorée.