Une équipe internationale a observé un phénomène étonnant dans un matériau d'oxyde de nickel pendant le refroidissement :au lieu de geler, certaines fluctuations augmentent en fait à mesure que la température baisse. L'oxyde de nickel est un système modèle dont la structure est similaire aux supraconducteurs à haute température. L'expérience montre une fois de plus que le comportement de cette classe de matériaux réserve encore des surprises.

Dans pratiquement toutes les matières, des températures plus basses signifient moins de mouvement de ses composants microscopiques. Moins d'énergie thermique est disponible, le moins souvent les atomes changent de position ou aux moments magnétiques de direction :ils gèlent. Une équipe internationale dirigée par des scientifiques de HZB et DESY a maintenant observé pour la première fois le comportement inverse dans un matériau d'oxyde de nickel étroitement lié aux supraconducteurs à haute température. Les fluctuations de ce nickelate ne gèlent pas au refroidissement, mais devenir plus rapide.

Nous avons utilisé la technique innovante de spectroscopie de corrélation des rayons X pour les observer :cela nous a permis de suivre l'ordre des moments magnétiques élémentaires (spins) dans l'espace et le temps à l'aide de rayons X mous cohérents. Ces spins s'organisent en un motif en forme de rayures lors du refroidissement. Cet ordre n'est pas parfait à des températures plus élevées, mais consiste en un arrangement aléatoire de petites régions ordonnées localement. Nous avons trouvé que cet arrangement n'était pas statique, mais de fluctuer sur des échelles de temps de quelques minutes. Alors que le refroidissement se poursuit, ces fluctuations deviennent initialement de plus en plus lentes et les régions ordonnées individuelles se développent. Jusque là, ce comportement correspond à ce que montrent de nombreux matériaux :moins d'énergie thermique est disponible, plus les fluctuations se figent et plus l'ordre augmente.

Ce qui est complètement inhabituel et n'avait jamais été observé de cette manière auparavant, c'est qu'à mesure que le matériau se refroidissait davantage, les fluctuations sont redevenues plus rapides, tandis que les zones ordonnées se sont rétrécies. L'ordre des bandes décroît ainsi aux basses températures à la fois spatialement et par des fluctuations de plus en plus rapides, montrant une sorte d'antigel.

Cette observation peut aider à mieux comprendre la supraconductivité à haute température dans les oxydes de cuivre (cuprates). Dans les cuprates, On pense que l'ordre des bandes similaire à celui des nickelates rivalise avec la supraconductivité. Là, trop, l'ordre des bandes décroît à basse température, qui a été expliqué comme supraconductivité, mise en place à basse température, supprime l'ordre des bandes. Comme il n'y a pas de supraconductivité dans les nickelates, mais l'ordre des bandes décroît néanmoins à basse température, un aspect important semble manquer à la présente description de la supraconductivité au cuprate. Il est possible que l'ordre des bandes dans les cuprates ne soit pas simplement supprimé, mais se dégrade aussi pour des raisons intrinsèques, ainsi "nettoyer le terrain" pour l'émergence de la supraconductivité. Une meilleure compréhension de ce mécanisme pourrait aider à contrôler la supraconductivité.

L'étude montre le potentiel des rayons X mous cohérents pour étudier des matériaux spatialement non uniformes, en particulier les matériaux où une nouvelle fonctionnalité découle de cette non-uniformité spatiale. La spectroscopie de corrélation avec des lasers est utilisée depuis de nombreuses décennies pour étudier, par exemple, le mouvement des colloïdes dans les solutions. Transféré aux rayons X doux, la technique peut être utilisée pour suivre les fluctuations magnétiques et par ex. aussi le désordre électronique et chimique dans l'espace et le temps.

Les expériences décrites ici ont été réalisées à l'Advanced Light Source ALS, Californie.

Avec les futures sources de rayons X telles que BESSY III, qui produira de plusieurs ordres de grandeur un rayonnement X cohérent plus intense que les sources actuelles, il deviendra possible d'étendre cette technique à des fluctuations plus rapides et à des échelles de longueur plus courtes, et ainsi d'observer des effets qui n'ont pas été réalisables jusqu'à présent.