Une nouvelle théorie qui pourrait expliquer comment la supraconductivité non conventionnelle apparaît dans un ensemble diversifié de composés n'aurait peut-être jamais eu lieu si les physiciens Qimiao Si et Emilian Nica avaient choisi un nom différent pour leur modèle 2017 de supraconductivité sélective orbitale.

Dans une étude publiée ce mois-ci dans Matériaux quantiques npj , Si de l'Université Rice et Nica de l'Université d'État de l'Arizona soutiennent que la supraconductivité non conventionnelle dans certains matériaux à base de fer et à fermions lourds résulte d'un phénomène général appelé « appariement singulet multiorbital ».

Dans les supraconducteurs, les électrons forment des paires et circulent sans résistance. Les physiciens ne peuvent pas expliquer complètement comment les paires se forment dans les supraconducteurs non conventionnels, où les forces quantiques donnent lieu à un comportement étrange. Fermions lourds, un autre matériau quantique, comportent des électrons qui semblent être des milliers de fois plus massifs que les électrons ordinaires.

Si et Nica ont proposé l'idée d'un appariement sélectif au sein des orbitales atomiques en 2017 pour expliquer la supraconductivité non conventionnelle dans les séléniures de fer alcalin. L'année suivante, ils ont appliqué le modèle orbital sélectif au matériau de fermions lourds dans lequel la supraconductivité non conventionnelle a été démontrée pour la première fois en 1979.

Ils ont envisagé de nommer le modèle d'après une expression mathématique connexe rendue célèbre par le pionnier quantique Wolfgang Pauli, mais a choisi de l'appeler d+d. Le nom fait référence à des fonctions d'onde mathématiques qui décrivent des états quantiques.

"C'est comme si vous aviez une paire d'électrons qui dansaient les uns avec les autres, " dit Si, Rice's Harry C. et Olga K. Wiess Professeur de physique et d'astronomie. "Vous pouvez caractériser cette danse par s-wave, canaux ondes p et ondes d, et d+d fait référence à deux types différents d'ondes d qui fusionnent en une seule."

Dans l'année suivant la publication du modèle d+d, Si a donné de nombreuses conférences sur le travail et a constaté que les membres du public confondaient souvent le nom avec "d+id, " le nom d'un autre état d'appariement dont les physiciens discutent depuis plus d'un quart de siècle.

« Les gens m'abordaient après une conférence et disaient :« Votre théorie du d+id est vraiment intéressante, ' et ils l'ont pensé comme un compliment, mais c'est arrivé si souvent que c'est devenu ennuyeux, " dit Si, qui dirige également le Rice Center for Quantum Materials (RCQM).

Mi-2019, Si et Nica se sont rencontrés pendant le déjeuner lors d'une visite au laboratoire national de Los Alamos, et a commencé à partager des histoires sur la confusion d+d contre d+id.

"Cela a conduit à une discussion pour savoir si d+d pourrait être lié à d+id d'une manière significative, et nous avons réalisé que ce n'était pas une blague, " a dit Nica.

La connexion impliquait des états d'appariement d+d et ceux rendus célèbres par la découverte, lauréate du prix Nobel, de la superfluidité de l'hélium-3.

"Il existe deux types d'états d'appariement superfluide de l'hélium liquide-3, l'une appelée phase B et l'autre phase A, " dit Nica. " Empiriquement, la phase B est similaire à notre d+d, tandis que la phase A est presque comme un d+id."

L'analogie est devenue plus intrigante lorsqu'ils ont discuté des mathématiques. Les physiciens utilisent des calculs matriciels pour décrire les états d'appariement quantique dans l'hélium-3, et c'est aussi le cas pour le modèle d+d.

"Vous avez plusieurs manières d'organiser cette matrice, et nous avons réalisé que notre matrice d+d pour l'espace orbital était comme une forme différente de la matrice d+id qui décrit l'appariement de l'hélium-3 dans l'espace de spin, " a dit Nica.

Si a déclaré que les associations avec les états d'appariement de l'hélium-3 superfluide l'avaient aidé, lui et Nica, à faire avancer une description plus complète des états d'appariement dans les supraconducteurs à base de fer et à fermions lourds.

"Alors qu'Emil et moi parlions plus, nous avons réalisé que le tableau périodique des appariements supraconducteurs était incomplet, " Si dit, se référant au tableau que les physiciens utilisent pour organiser les états d'appariement supraconducteurs.

« Nous utilisons des symétries, comme des arrangements en treillis ou en rotation, ou si le temps aller de l'avant par rapport à l'arrière est équivalent, qui est la symétrie d'inversion du temps - pour organiser les états d'appariement possibles, " a-t-il dit. "Notre révélation a été que d+id peut être trouvé dans la liste existante. Vous pouvez utiliser le tableau périodique pour le construire. Mais d+d, vous ne pouvez pas. C'est au-delà du tableau périodique, car le tableau n'inclut pas les orbitales."

Si, les orbitales sont importantes pour décrire le comportement de matériaux tels que les supraconducteurs à base de fer et les fermions lourds, où "de très fortes corrélations électron-électron jouent un rôle crucial".

« Sur la base de notre travail, le tableau doit être élargi pour inclure les indices orbitaux, " dit Si.