Création d'un matériau en deux dimensions, juste quelques atomes d'épaisseur, est souvent un processus ardu nécessitant un équipement sophistiqué. Les scientifiques ont donc été surpris de voir des flaques d'eau 2D émerger à l'intérieur d'un supraconducteur tridimensionnel, un matériau qui permet aux électrons de voyager avec une efficacité de 100 % et une résistance nulle, sans aucune incitation.

Dans ces flaques, les électrons supraconducteurs agissaient comme s'ils étaient confinés à l'intérieur d'un avion en forme de feuille, une situation qui les oblige à passer d'une manière ou d'une autre à une autre dimension, où différentes règles de la physique quantique s'appliquent.

"C'est un exemple alléchant de comportement émergent, qui est souvent difficile ou impossible à reproduire en essayant de le concevoir à partir de zéro, " dit Hari Manoharan, professeur à l'Université de Stanford et chercheur au Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) au SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie, qui a dirigé la recherche.

"C'est comme si lorsqu'on leur donnait le pouvoir de supraconductivité, " il a dit, "les électrons 3D choisissent eux-mêmes de vivre dans un monde 2D."

L'équipe de recherche appelle ce nouveau phénomène « supraconductivité interdimensionnelle, " et dans un rapport du Actes de l'Académie nationale des sciences aujourd'hui, ils suggèrent que c'est ainsi que les supraconducteurs 3D se réorganisent juste avant de passer brutalement à un état isolant, où les électrons sont confinés dans leurs atomes d'origine et ne peuvent pas du tout se déplacer.

"Ce que nous avons trouvé, c'est un système où les électrons se comportent de manière inattendue. C'est la beauté de la physique, " a déclaré Caroline Parra, un chercheur postdoctoral au SLAC et à Stanford au moment de l'étude qui a réalisé les expériences qui ont conduit à la visualisation de ce résultat intrigant. "Nous avons eu beaucoup de chance de trouver ce comportement."

Des électrons agissant étrangement

Bien que la supraconductivité ait été découverte il y a plus d'un siècle, son utilité était limitée par le fait que les matériaux ne devenaient supraconducteurs qu'à des températures proches de celles de l'espace lointain.

Ainsi, l'annonce en 1986 que les scientifiques avaient découvert une nouvelle classe inattendue de matériaux supraconducteurs qui fonctionnaient à des températures beaucoup plus élevées, bien que toujours très froides, a déclenché un tsunami de recherches qui se poursuit à ce jour, dans le but de comprendre comment les nouveaux matériaux fonctionnent et de développer des versions qui fonctionnent à une température plus proche de la température ambiante pour des applications telles que des lignes électriques parfaitement efficaces et des trains maglev.

Cette étude a commencé avec un supraconducteur à haute température nommé BPBO pour ses quatre ingrédients atomiques :le baryum, mener, bismuth et oxygène. Il a été synthétisé dans le laboratoire du professeur de Stanford et chercheur du SIMES Ian Fisher par Paula Giraldo-Gallo, un doctorat étudiant à l'époque.

Comme les chercheurs l'ont soumis à des tests de routine, y compris la détermination de la température de transition à laquelle il bascule entre une phase supraconductrice et une phase isolante - comme l'eau se changeant en vapeur ou en glace - ils ont réalisé que leurs données montraient que les électrons se comportaient comme s'ils étaient confinés à l'ultrafin, Couches ou rayures 2D dans le matériau. C'était une énigme, car BPBO est un supraconducteur 3D dont les électrons sont normalement libres de se déplacer dans la direction qu'ils souhaitent.

Intrigué, L'équipe de Manoharan a examiné de plus près avec un microscope à effet tunnel, ou STM—un instrument qui peut identifier et même déplacer des atomes individuels dans les quelques couches atomiques supérieures d'un matériau.

Flaques d'eau en interaction

Les rayures, ils ont découvert, semblait n'avoir aucun rapport avec la façon dont les atomes du matériau étaient organisés ou avec de minuscules bosses et creux à sa surface.

"Au lieu, les bandes étaient des couches où les électrons se comportent comme s'ils étaient confinés en 2D, des zones ressemblant à des flaques dans le matériau, " a déclaré Parra. " La distance entre les flaques est suffisamment courte pour que les électrons puissent " voir " et interagir les uns avec les autres d'une manière qui leur permet de se déplacer sans résistance, qui est la marque de fabrique de la supraconductivité."

Les flaques 2D ont émergé alors que les scientifiques ajustaient soigneusement la température et d'autres conditions vers le point de transition où le supraconducteur deviendrait un isolant.

Leurs observations correspondent étroitement à une théorie de « granularité électronique émergente » dans les supraconducteurs, développé par Nandini Trivedi de l'Ohio State University et ses collègues.

"Les prédictions que nous avions faites allaient à l'encontre du paradigme standard pour les supraconducteurs, " Trivedi a dit. " Habituellement, plus un supraconducteur est fort, plus l'énergie nécessaire pour rompre la liaison entre ses paires d'électrons supraconducteurs est importante, un facteur que nous appelons l'écart énergétique. Mais mon groupe avait prédit que dans ce type particulier de supraconducteur désordonné, l'inverse serait vrai :le système formerait des flaques émergentes où la supraconductivité était forte mais les paires pourraient être rompues avec beaucoup moins d'énergie que prévu.

"C'était assez excitant de voir ces prédictions confirmées par les mesures STM du groupe de Stanford!"

Diffuser la science

Les résultats ont des implications pratiques pour la fabrication de matériaux 2D, dit Parra.

"La plupart des méthodes de fabrication de matériaux 2D sont des approches d'ingénierie, comme faire croître des films de quelques couches atomiques d'épaisseur ou créer une interface nette entre deux matériaux et y confiner un état 2D, ", a-t-elle déclaré. "Cela offre un moyen supplémentaire d'accéder à ces états supraconducteurs 2D. C'est moins cher, vous n'avez pas besoin d'équipement sophistiqué qui nécessite des températures très basses et cela ne prend pas des jours et des semaines. La seule partie délicate serait d'obtenir la bonne composition du matériau."

Parra dirige maintenant un laboratoire à l'Université technique Federico Santa María de Valparaíso, Chili, en se concentrant sur des études interdisciplinaires de matériaux biologiques à l'échelle nanométrique. Elle a récemment obtenu une subvention pour acquérir et exploiter le tout premier microscope à effet tunnel à basse température en Amérique du Sud, qu'elle compte utiliser pour poursuivre cette ligne de recherche.

"Quand j'ai cet équipement dans le laboratoire, " elle a dit, "Je vais le relier à toutes les choses que j'ai apprises dans le laboratoire de Hari et l'utiliser pour enseigner à une nouvelle génération de chercheurs que nous aurons à travailler dans les nanosciences et les nanotechnologies au Chili."