Pourquoi certains matériaux transportent-ils des courants électriques sans aucune résistance uniquement lorsqu'ils sont refroidis à un niveau proche du zéro absolu, tandis que d'autres le font à des températures relativement élevées ? Cette question clé continue de contrarier les scientifiques qui étudient le phénomène de supraconductivité. Maintenant, une équipe de chercheurs du groupe d'Andrea Cavalleri à l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière (MPSD) à Hambourg a fourni la preuve que les "bandes" d'électrons dans certains composés à base de cuivre peuvent conduire à une rupture de la symétrie cristalline du matériau. , qui persiste même dans leur état supraconducteur. Leur travail a été publié dans PNAS .

En se concentrant sur une gamme de cuprates, l'équipe a étudié la coexistence et la compétition de leur état supraconducteur avec d'autres phases quantiques. On pense que ces interactions sont cruciales pour le développement de la supraconductivité à haute température, un processus qui reste aujourd'hui l'un des problèmes non résolus les plus importants de la physique de la matière condensée.

Les chercheurs ont exposé plusieurs cristaux de cuprate, cultivés et caractérisés au Brookhaven National Labs, à des impulsions lumineuses laser ultracourtes. Ils ont observé comment les matériaux ont commencé à émettre un type particulier de lumière térahertz (THz), une technique connue sous le nom de spectroscopie d'émission THz.

Habituellement, de telles émissions ne se produisent qu'en présence d'un champ magnétique ou d'un courant polarisant. Cependant, l'équipe MPSD a sondé les cuprates sans appliquer de biais externe et a découvert une émission THz "anormale" dans certains d'entre eux. Ces composés comportaient ce que l'on appelle l'ordre des bandes de charge, où les électrons s'organisent en chaînes plutôt que de se déplacer librement. L'ordre des bandes de charge semble rompre la symétrie cristalline du matériau, tout comme le ferait un champ magnétique ou un courant appliqué, cette rupture de symétrie persistant dans l'état supraconducteur.

"En effectuant des expériences sur divers composés", explique Daniele Nicoletti, l'auteur principal de l'article, "nous avons été très surpris de trouver une émission THz claire, cohérente et presque unicolore dans certains supraconducteurs et, à l'inverse, une absence totale de réponse dans d'autres. Nous ont pu associer avec une certitude raisonnable les caractéristiques d'émission THz à la présence d'un ordre de bande de charge, une phase ordonnée particulière trouvée dans diverses familles de cuprates, qui jouerait un rôle dans le mécanisme sous-jacent à la supraconductivité à haute température. provoquer une brisure de symétrie dans le supraconducteur, dont la présence n'avait pas été trouvée par d'autres techniques expérimentales dans le passé."

En collaboration avec des physiciens de l'Université de Harvard, de l'ETH Zurich et de la division théorique du MPSD, l'équipe a fourni une explication détaillée de cette phénoménologie. En partant de l'observation que l'émission THz cohérente se produit très près de la "fréquence du plasma Josephson", qui est la fréquence de résonance tunnel des paires d'électrons supraconducteurs à travers les plans cristallins cuivre-oxygène, les chercheurs ont identifié les soi-disant "plasmons Josephson de surface" comme la source d'émission. Ce sont des analogues d'ondes sonores qui se développent à l'interface entre le supraconducteur et l'environnement extérieur. En principe, ce sont des modes "silencieux", ce qui signifie qu'ils ne se couplent pas directement avec la lumière et ne sont donc pas censés rayonner. Or, c'est justement la présence de la modulation de charge introduite par stripe order qui assure le couplage nécessaire avec le monde extérieur et permet à ces modes de s'éclairer.

Les travaux de l'équipe fournissent de nouvelles informations importantes sur les processus conduisant à la supraconductivité à haute température. Il révèle également l'émission anormale cohérente de THz comme un outil sensible pour sonder la symétrie des supraconducteurs en présence d'autres phases. Les chercheurs estiment qu'il devrait être appliqué à une classe plus large de composés à l'avenir, ouvrant de nouvelles possibilités pour comprendre la physique des interactions complexes dans ces matériaux. + Explorer plus loin

Nouvel aperçu de la supraconductivité non conventionnelle