Des physiciens de trois continents rapportent la première preuve expérimentale pour expliquer le comportement électronique inhabituel derrière le supraconducteur le plus fin du monde, un matériau aux multiples applications car il conduit l'électricité de manière extrêmement efficace. Dans ce cas, le supraconducteur n'a qu'une couche atomique d'épaisseur.

L'oeuvre, dirigé par un professeur du MIT et un physicien du Brookhaven National Laboratory, a été possible grâce à une nouvelle instrumentation disponible dans seulement quelques installations dans le monde. Les données obtenues pourraient aider à orienter le développement de meilleurs supraconducteurs. Celles-ci pourraient à leur tour transformer les domaines du diagnostic médical, l'informatique quantique, et transport d'énergie, qui utilisent tous des supraconducteurs.

Le sujet du travail appartient à une classe passionnante de supraconducteurs qui deviennent supraconducteurs à des températures d'un ordre de grandeur supérieur à leurs homologues conventionnels, les rendant plus faciles à utiliser dans les applications. Les supraconducteurs conventionnels ne fonctionnent qu'à des températures d'environ 10 Kelvin, ou -442 degrés Fahrenheit.

Ces supraconducteurs dits à haute température, cependant, ne sont toujours pas entièrement compris. "Leurs excitations et dynamiques microscopiques sont essentielles pour comprendre la supraconductivité, pourtant après 30 ans de recherche, beaucoup de questions sont encore très ouvertes, " dit Riccardo Comin, la classe de 1947 professeur adjoint de développement de carrière de physique au MIT. Le nouveau travail, qui est rapporté dans le 25 mai, numéro 2021 de Communication Nature , aide à répondre à ces questions.

Le supraconducteur le plus fin du monde

En 2015, les scientifiques ont découvert un nouveau type de supraconducteur à haute température :une feuille de séléniure de fer d'une seule couche atomique d'épaisseur capable de supraconductrice à 65 Kelvin. En revanche, échantillons en vrac du même matériau supraconducteur à une température beaucoup plus basse (8 Kelvin). La découverte "a déclenché une vague d'enquêtes pour décoder les secrets du supraconducteur le plus mince du monde, " dit Comin, qui est également affilié au laboratoire de recherche sur les matériaux du MIT.

Dans un métal ordinaire, les électrons se comportent un peu comme des individus qui dansent dans une pièce. Dans un métal supraconducteur, les électrons se déplacent par paires, comme des couples au bal. "Et toutes ces paires bougent à l'unisson, comme s'ils faisaient partie d'une chorégraphie quantique, conduisant finalement à une sorte de superfluide électronique, " dit Comin.

Mais quelle est l'interaction, ou "colle, " qui maintient ces paires d'électrons ensemble ? Les scientifiques savent depuis longtemps que dans les supraconducteurs conventionnels, cette colle est dérivée du mouvement des atomes dans un matériau. "Si vous regardez un solide assis sur une table, ça n'a pas l'air de faire quoi que ce soit, " dit Comin. Cependant, « beaucoup de choses se passent à l'échelle nanométrique. À l'intérieur de ce matériau, les électrons volent dans toutes les directions possibles et les atomes vibrent ; ils vibrent ». Dans les supraconducteurs conventionnels, les électrons utilisent l'énergie stockée dans ce mouvement atomique pour s'apparier.

La colle derrière l'appariement des électrons dans les supraconducteurs à haute température est différente. Les scientifiques ont émis l'hypothèse que cette colle est liée à une propriété des électrons appelée spin (une autre, propriété plus familière des électrons est leur charge). Le spin peut être considéré comme un aimant élémentaire, dit Pelliciari. L'idée est que dans un supraconducteur à haute température, les électrons peuvent capter une partie de l'énergie de ces spins, appelées excitations de spin. Et cette énergie est la colle qu'ils utilisent pour s'associer.

Jusqu'à maintenant, la plupart des physiciens pensaient qu'il serait impossible de détecter ou de mesurer les excitations de spin dans un matériau d'une seule couche atomique d'épaisseur. C'est l'aboutissement remarquable des travaux rapportés dans Communication Nature . Non seulement les physiciens ont détecté des excitations de spin, mais, entre autres, ils ont également montré que la dynamique de spin dans l'échantillon ultra-mince était radicalement différente de celle de l'échantillon en vrac. Spécifiquement, l'énergie des spins fluctuants dans l'échantillon ultra-mince était beaucoup plus élevée - d'un facteur de quatre ou cinq - que l'énergie des spins dans l'échantillon global.

"C'est la première preuve expérimentale de la présence d'excitations de spin dans un matériau atomiquement mince, " dit Pelliciari.

Équipement de pointe

Historiquement, la diffusion des neutrons a été utilisée pour étudier le magnétisme. Puisque le spin est la propriété fondamentale du magnétisme, la diffusion des neutrons semble être une bonne sonde expérimentale. "Le problème est que la diffusion des neutrons ne fonctionne pas sur un matériau qui n'a qu'une couche atomique d'épaisseur, " dit Pelliciari.

Entrez la diffusion inélastique résonante des rayons X (RIXS), une nouvelle technique expérimentale que Pelliciari a aidé à mettre au point.

Lui et Comin ont discuté du potentiel d'utilisation de RIXS pour étudier la dynamique de spin du nouveau supraconducteur ultra-mince, mais Comin était initialement sceptique. "Je pensais, 'Oui, ce serait super si nous pouvions le faire, mais expérimentalement ça va être presque impossible, '" se souvient Comin. "Je pensais que c'était un vrai coup de lune." En conséquence, "quand Johnny a recueilli les tout premiers résultats, c'était époustouflant pour moi. J'avais gardé mes attentes basses, alors quand j'ai vu les données, J'ai sauté sur ma chaise."

Seules quelques installations dans le monde disposent d'instruments RIXS avancés. Une, situé à Diamond Light Source (Royaume-Uni) et dirigé par le Dr Zhou, c'est là que l'équipe a mené son expérience. Un autre, qui était encore en construction au moment de l'expérience, est au Laboratoire national de Brookhaven. Pelliciari fait désormais partie de l'équipe qui gère l'installation RIXS, connu sous le nom de Beamline SIX, à la National Synchrotron Light Source II située à Brookhaven Lab.

« L'impact de ce travail est double, " dit le Dr Thorsten Schmitt, chef du groupe Spectroscopie des nouveaux matériaux à l'Institut Paul Scherrer en Suisse. Schmitt n'a pas été impliqué dans le travail. « Côté expérimental, c'est une démonstration impressionnante de la sensibilité du RIXS aux excitations de spin dans un matériau supraconducteur d'une épaisseur d'une seule couche atomique. Par ailleurs, les [données résultantes] devraient contribuer à la compréhension de l'amélioration de la température de transition supraconductrice dans de tels supraconducteurs minces." En d'autres termes, le travail pourrait conduire à des supraconducteurs encore meilleurs.

Dit Valentina Bisogni, scientifique principal pour la ligne de faisceau SIX, "la compréhension de la supraconductivité non conventionnelle est l'un des principaux défis auxquels sont confrontés les scientifiques aujourd'hui. La récente découverte de la supraconductivité à haute température dans un film mince monocouche de séléniure de fer a renouvelé l'intérêt pour le système de séléniure de fer, car il offre une nouvelle voie pour étudier les mécanismes permettant la supraconductivité à haute température.

"Dans ce contexte, les travaux de Pelliciari et al. présente un éclairage, étude comparative du séléniure de fer en vrac et du séléniure de fer monocouche-mince révélant une reconfiguration spectaculaire des excitations de spin. » Bisogni n'a pas été impliqué dans les travaux de Pelliciari.