Les supraconducteurs à haute température sont une classe de matériaux qui peuvent conduire l'électricité avec une résistance presque nulle à des températures relativement élevées par rapport à leurs homologues standard, qui doit être réfrigéré à presque zéro absolu, la température la plus froide possible. Les matériaux à haute température sont passionnants car ils détiennent la possibilité de révolutionner la vie moderne, comme en facilitant la transmission d'énergie ultra-efficace ou en étant utilisé pour créer des ordinateurs quantiques de pointe.

Un groupe particulier de supraconducteurs à haute température, les cuprates, est étudié depuis 30 ans, pourtant, les scientifiques ne peuvent toujours pas expliquer pleinement comment ils fonctionnent :que se passe-t-il à l'intérieur d'un cuprate « typique » ?

Reconstituer une image complète de leur comportement électronique est essentiel pour concevoir le « Saint-Graal » des cuprates :un matériau robuste qui peut supraconducteur à température ambiante et pression ambiante.

À cette fin, un groupe de recherche dirigé par des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie (DOE) a récemment découvert de nouvelles informations sur le comportement électronique d'un cuprate particulier à l'aide d'une technique aux rayons X qui n'a pas été largement utilisée jusqu'à présent pour les étudier. Travaillant en partie à Brookhaven Lab's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), une installation utilisateur du DOE Office of Science, les chercheurs ont utilisé une forme de diffusion des rayons X pour étudier un arrangement spécifique de charge électrique qui apparaît dans les cuprates :un motif ordonné d'électrons connu sous le nom d'onde de densité de charge (CDW).

La technique des rayons X – la diffusion inélastique des rayons X par résonance (RIXS) – pourrait ouvrir de nouvelles voies de recherche intéressantes sur ces matériaux. Les résultats de cette enquête sont publiés dans l'édition en ligne du 21 mai de Lettres d'examen physique .

CDW dans les cuprates

Un CDW peut être visualisé comme un modèle d'ondes stationnaires d'électrons. Les CDW se présentent dans l'ordre, matériaux cristallins, tels que les cuprates, qui sont composés de couches alternées d'oxyde de cuivre et d'un isolant (généralement un autre oxyde). Les plans isolants servent de réservoirs de charge qui alimentent les couches d'oxyde de cuivre où a lieu la supraconductivité.

Les CDW ont longtemps été soupçonnés de jouer un rôle vital dans la façon dont les cuprates supraconducteurs, mais en caractérisant un - comment il émerge et disparaît, comment il se comporte, comment il ajoute ou entrave la supraconductivité - est un défi permanent pour les scientifiques.

Au NSLS-II et à la Diamond Light Source du Royaume-Uni, le groupe a étudié un cuprate composé de lanthane, le cuivre, et de l'oxygène qui a été "dopé" avec de petites quantités de strontium (surnommé LSCO). Le dopage est une technique dans laquelle de minuscules quantités d'une substance impure sont ajoutées à un composé pour modifier ou améliorer ses propriétés électriques, optique, ou des propriétés structurelles.

Le groupe a créé quatre échantillons LSCO avec quatre niveaux de dopage différents. Les niveaux de dopage couvrent une gamme de comportements électroniques dans lesquels le CDW est à son maximum puis disparaît. Cette gamme couvre également une transition dans la structure électronique du LSCO :la « surface de Fermi, " qui est une coquille 3D théorique qui sépare les orbitales électroniques remplies et non remplies - le volume autour d'un noyau où des électrons particuliers sont les plus susceptibles de se trouver - lorsque le matériau a une température de zéro absolu. Les surfaces de Fermi sont abstraites, mais ils sont très importants, prédisant souvent le comportement électronique d'un matériau ainsi que de nombreuses autres propriétés.

Une nouvelle façon d'étudier les CDW cuprates

Dans RIXS, l'énergie des photons de rayons X incidents est transférée aux électrons au niveau du noyau dans un échantillon cristallin, les "exciter" dans la bande de conduction. Les lacunes laissées par les électrons du noyau sont remplies par des électrons de la bande de valence, qui émettent un photon lorsqu'ils font le saut vers la bande de basse énergie. Ces photons émis forment un spectre d'énergies qui peuvent être analysées pour obtenir des informations sur les excitations et le comportement électronique global du matériau.

Au NSLS-II, le travail a été effectué sur la ligne de faisceaux Soft Inelastic X-Ray (SIX), qui offre une résolution RIXS à ultra-haute énergie. La technique a une sensibilité accrue aux excitations des électrons de valence et des phonons, les vibrations collectives du réseau atomique. Un CDW peut être associé à ces excitations.

« La récente découverte que les effets CDW sont tissés dans les spectres RIXS de cuprate a été passionnante pour les chercheurs dans ce domaine, car il contient la promesse alléchante que nous pourrons peut-être clarifier les interactions qui donnent lieu aux TCD, " a déclaré Mark Dean, un physicien au département de physique de la matière condensée et des sciences des matériaux de Brookhaven, qui a dirigé l'étude avec Xuerong Liu de Shanghai Tech University et Valentina Bisogni de NSLS-II.

Dean et ses collègues ont découvert que les spectres RIXS sont pour la plupart inchangés à tous les niveaux de dopage, malgré le franchissement de la transition de Fermi. Cela indique que les spectres ne sont pas liés à des excitations près de la surface de Fermi. Mais en apprendre davantage sur les spectres RIXS, à savoir, isoler et interpréter les effets possibles d'un CDW est un défi.

"Les CDW modifient inévitablement leur réseau cristallin hôte et donc les phonons, " a déclaré Bisogni. " Ce qui complique encore les choses, c'est le fait qu'il existe différentes approches pour interpréter les données RIXS. "

Par la rigueur, analyse minutieuse, l'équipe de recherche a conclu que les spectres RIXS ont peu ou pas de relation directe avec les excitations électroniques. Au lieu, ils sont le plus fortement affectés par le comportement des phonons, y compris un " adoucissement " des phonons - une réduction de fréquence - induite par le CDW et des changements dans l'intensité des phonons.

« La résolution énergétique record du monde récemment atteinte sur la ligne de lumière SIX a été cruciale pour cette enquête, nous permettant de résoudre et d'identifier les différentes contributions présentes dans les données RIXS, " dit Dean.

Le groupe déclare que leurs résultats soutiennent un scénario dans lequel le CDW est entraîné par de « fortes corrélations » entre les électrons - un terme utilisé pour décrire des comportements électroniques mal compris dans les matériaux - et ajoutent un soutien à l'idée que la réponse RIXS dans le cuprates est déterminé par la façon dont le CDW modifie le réseau cristallin, et comment ces modifications invoquent des interactions plus complexes.

« Grâce aux performances de SIX, nous avons pu placer une nouvelle pièce dans le puzzle qui est la physique des supraconducteurs cuprates, " a déclaré Bisogni. " Après tout le travail pour construire la ligne de lumière, commandé, et optimisé, c'est formidable de voir une science à fort impact sortir de cet effort. Nous espérons que cette publication sera la première de nombreuses publications collaboratives de ce type. »

Dans les travaux futurs, la même équipe espère étudier ces systèmes avec une résolution énergétique encore plus élevée pour révéler les détails des modes vibrationnels à plus faible énergie du réseau.