En 2016, le physicien J.C. Séamus Davis a découvert un état insaisissable de la matière quantique dans les cuprates, qui sont des matériaux d'oxyde de cuivre entrelacés avec d'autres atomes. Cela a lancé un nouveau sous-domaine dans l'étude des matériaux quantiques.

Mais s'il s'agissait d'un phénomène unique dans les cuprates ou d'une propriété universelle et importante de la nature restait inconnu jusqu'à présent.

En utilisant une version améliorée de la technologie de microscope quantique radicalement nouvelle qu'il a développée à cet effet, Davis et son équipe ont maintenant trouvé le même état exotique de la matière quantique dans un type de matériau conventionnel largement utilisé, les dichalcogénures de métaux de transition (TMD).

Leur papier, "Découverte d'un état d'onde de densité de paires de Cooper dans un dichalcogénure de métal de transition, " publié le 25 juin dans Science . Les co-auteurs incluent les boursiers postdoctoraux Cornell Xiaolong Liu et Yi Xue Chong, et Rahul Sharma, doctorat '20, un post-doctorat à l'Université du Maryland.

Les ondes de densité de paires de cuivre sont une forme de matière quantique exotique dans laquelle des paires d'électrons, au lieu de former un "supraconducteur" conventionnel, " où tous sont dans le même état de mouvement libre - se figent dans un cristal à paire d'électrons, également connu sous le nom d'état d'onde de densité de paire (PDW).

La découverte que les PDW existent dans des matériaux standard comme les TMD est passionnante, Davis a dit, car ils fournissent une plate-forme riche pour la découverte de nouveaux états de la matière quantique et pour le développement de nouvelles technologies.

"L'étude des matériaux TMD est récemment devenue l'un des sujets les plus brûlants de la physique de la matière condensée, " dit Davis, le James Gilbert White Distinguished Professor Emeritus of Physic in the College of Arts and Sciences (A&S), qui est également professeur à l'Université d'Oxford, En Angleterre, et University College Cork, en Irlande. « Il existe des centaines de ces matériaux dans le monde et ils sont très largement utilisés en technologie ou en recherche, y compris par plusieurs groupes à Cornell."

Davis a battu son propre record de résolution spatiale avec le microscope à effet tunnel Josephson qu'il a inventé, l'améliorant dans cette étude par un facteur d'environ 100 (de nanomètres jusqu'à environ 10 picomètres). Il a également augmenté l'efficacité de l'imagerie d'un facteur d'environ 250, réduire les temps d'acquisition d'images de la matrice de jonction Josephson d'un mois à quelques heures.

Parce que le microscope est extrêmement sensible aux vibrations et aux bruits acoustiques et mécaniques et est donc conçu pour fonctionner sans être humain dans le laboratoire, Davis a déclaré que la pandémie avait eu un impact minimal sur son utilisation pour la recherche.

"Si toutes les préparations sont faites correctement, vous appuyez sur le bouton et le microscope fait son travail très silencieusement sans personne dans le laboratoire. Le microscope stocke l'image et vous alerte quand c'est fait, " a déclaré Davis. " Chaque expérience individuelle dure environ 10 jours, même si l'ensemble de la campagne expérimentale prend des années."

La découverte du TMD sera une aubaine pour les nombreux physiciens de Cornell qui font des recherches révolutionnaires sur les matériaux quantiques, Davis a dit, "y compris des théoriciens comme Eun-Ah Kim [professeur de physique en A&S], dont les théories sur cet état exotique de la matière peuvent maintenant être soumises à des tests expérimentaux."

Le travail a été financé par la Fondation Gordon et Betty Moore, qui, selon Davis, a également financé le développement du microscope à effet tunnel Josephson alors que personne d'autre ne le ferait.

"On pensait qu'un tel microscope était extrêmement difficile voire impossible à mettre en œuvre, " dit Davis, "mais la Fondation Moore a pris le risque. Ils méritent une grande partie du crédit pour cette nouvelle technologie de visualisation de la matière quantique."