Au cours des dernières décennies, les chercheurs ont identifié un certain nombre de matériaux supraconducteurs aux propriétés atypiques, appelés supraconducteurs non conventionnels. Beaucoup de ces supraconducteurs partagent les mêmes propriétés anormales de transport de charge et sont donc collectivement caractérisés comme des « métaux étranges ».

Des chercheurs de l'Université de Californie, Berkeley (UC Berkeley) et le Laboratoire national de Los Alamos ont étudié les propriétés de transport anormales de métaux étranges, avec plusieurs autres équipes dans le monde. Dans un article récent publié dans Physique de la nature , ils ont montré que dans l'un de ces matériaux, BaFe 2 (Comme 1− X P X ) 2 , supraconductivité et criticité quantique sont liées par ce que l'on appelle l'effet Hall.

Depuis des décennies, les physiciens ont été incapables de comprendre pleinement la résistivité linéaire T, une signature de métaux étranges qui a souvent été observée dans de nombreux supraconducteurs non conventionnels. En 2016, l'équipe de l'UC Berkeley et du Los Alamos National Lab a observé une relation d'échelle inhabituelle entre le champ magnétique et la température dans le supraconducteur BaFe 2 (Comme 1− X P X ) 2 .

Les phénomènes d'entartrage sont généralement observés juste avant qu'un système passe d'une phase à une autre (par exemple, du liquide au gaz), moments appelés points critiques. Cela a inspiré les chercheurs à rechercher si un phénomène similaire s'est également produit dans l'effet Hall, un phénomène de transport de charge connexe.

« Le comportement de mise à l'échelle survient parce que près d'un point critique, certaines propriétés deviennent invariantes à l'échelle, " James G. Analytis, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "C'est parce qu'il y a des fluctuations de phase au point critique qui se produisent à toutes les échelles de longueur et de temps. Le même phénomène de base conduit à une opalescence critique dans une transition liquide-gaz, mais dans le cas présent, les fluctuations ont leur origine dans le principe d'incertitude de Heisenberg. Dans notre étude récente, nous n'avons pas observé le comportement de mise à l'échelle aussi clairement qu'avant, mais nous avons trouvé quelque chose auquel nous ne nous attendions pas."

Pour mener leurs expériences, Analytis et leurs collègues ont synthétisé BaFe 2 (Comme 1− X P X ) 2 cristaux au Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), puis les a placés sous des champs magnétiques élevés dans les installations à haut champ du Los Alamos National Lab, qui est géré par le National High Magnetic Field Lab (NHMFL) financé par la NSF. Dans cette installation de terrain, les chercheurs peuvent collecter des mesures pendant une durée significative de l'aimant.

"Il est très compétitif d'obtenir ce temps d'aimant, qui permet de mesurer jusqu'à 65 T, " a expliqué Analytis. " Chaque matériau doit être mesuré séparément, avec plusieurs échantillons pour assurer la reproductibilité. Dans tout, nous avons probablement passé environ quatre semaines de temps d'aimant pour recueillir nos données."

Les expériences menées par Analytis et ses collègues ont donné un certain nombre de résultats intéressants. D'abord, les chercheurs ont découvert que l'effet Hall semble être composé de deux « termes » différents :un terme conventionnel qui est simplement lié au nombre d'électrons dans le système, et un terme de métal étrange qui culmine lorsque BaFe 2 (Comme 1− X P X ) 2 approche de son point critique quantique.

"Séparer l'effet Hall en deux contributions est tout à fait naturel dans les métaux ferromagnétiques car le système a deux contributions claires; les porteurs dans le métal et les spins magnétiquement ordonnés, " expliqua Analytis. " La deuxième contribution s'appelle l'effet Hall anormal. Ce que nous voyons semble être analogue à un effet Hall anormal, mais j'insiste sur le fait qu'il n'y a pas de ferromagnétisme. Ici, la contribution anormale semble provenir de fluctuations magnétiques à proximité du point critique."

Deux faits marquants illustrent le lien entre criticité quantique et supraconductivité dévoilé par Analytis et ses collègues :Le premier est que dans les métaux étranges, la supraconductivité se produit dans un diagramme de phase entier; la seconde est que l'effet Hall est essentiellement une mesure du nombre de particules (c'est-à-dire, électrons ou trous) dans un système.

Les chercheurs ont observé que l'effet anormal observé dans BaFe 2 (Comme 1− X P X ) 2 à l'approche de son point critique quantique, il ne cesse que lorsque la supraconductivité le fait. De plus, ils ont découvert que l'amplitude à température nulle du terme anormal de l'effet Hall était corrélée à l'amplitude du Tc supraconducteur. Cela suggère que la contribution du métal étrange à l'effet Hall est, En réalité, une mesure des entités émergentes qui sont responsables de la supraconductivité.

"Il y a eu une deuxième observation liée à l'invariance d'échelle observée auparavant, " Analytis a déclaré. " Dans une région du diagramme de phase connue sous le nom de « ventilateur critique » (la région que l'on pense être dominée par les fluctuations), l'étrange apport de métal ne dépend que de la température, comme si la température fixait l'échelle des fluctuations dans le système. Plus important encore, l'étrange contribution du métal était indépendante de la composition X, même si la contribution conventionnelle a changé d'un facteur de trois ou plus; ce qui signifie que l'effet Hall métallique étrange n'est pas simplement une source de charge supplémentaire, mais qu'il résulte du mouvement collectif de tous les électrons à l'approche d'une transition de phase critique quantique. »

Lorsque vous étudiez un Tc élevé, les chercheurs tentent généralement de comprendre les excitations émergentes qui sont responsables de la supraconductivité dans un matériau. Dans les supraconducteurs conventionnels, ces excitations sont maintenant connues pour être caractérisées comme de simples électrons ou trous.

L'étude récente d'Analytis et de ses collègues pourrait à terme éclairer la nature des excitations responsables de la supraconductivité dans les métaux étranges, qui est resté jusqu'à présent insaisissable. De plus, les chercheurs ont identifié une stratégie permettant de mesurer si ces excitations sont présentes ou non dans un matériau.

"Ce serait très excitant de voir si les propriétés que nous avons dévoilées s'étendent à d'autres supraconducteurs, " Analytis a dit. " En ce moment, nous aimerions étendre ces mesures à différentes parties du diagramme de phases et à différents composés. Ce sont toutes des expériences longues et compliquées nécessitant une synthèse approfondie et du temps dans des laboratoires à haut champ (comme le NHMFL), mais au moins on sait exactement ce qu'on cherche, maintenant."

Dans leurs prochaines études, les chercheurs aimeraient également commencer à chercher des stratégies et des outils qui pourraient être utilisés pour sonder directement les degrés de liberté de spin dans les supraconducteurs non conventionnels. En réalité, la plupart des méthodes existantes tendent à examiner les degrés de liberté de charge d'un matériau, ce qui limite considérablement leur généralisabilité à travers différents matériaux.

"L'effet Hall va toujours les mélanger, et nous avons eu de la chance que dans ces matériaux, ils se séparent en contributions « conventionnelle » et « métal étrange », " a déclaré Analytis. " Mais afin de voir les universalités entre les différentes classes de matériaux, il sera important de développer de nouvelles sondes avec une sensibilité plus directe à la partie « métal étrange » du système. »

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