Les scientifiques du SLAC National Accelerator Laboratory ont utilisé une technique de rayons X améliorée pour explorer des états exotiques de la matière dans un supraconducteur non conventionnel qui conduit l'électricité avec une efficacité de 100 % à des températures relativement élevées. Ils ont entrevu la signature d'un état connu sous le nom d'ondes de densité de paires (PDW) et ont confirmé qu'il s'entremêle avec une autre phase connue sous le nom de bandes d'ondes de densité de charge (CDW) - des motifs ondulatoires de densité électronique plus élevée et plus faible dans le matériau. Les CDW, à leur tour, sont créés lorsque des ondes de densité de spin (SDW) émergent et s'entrelacent. Crédit : Jun-Sik Lee/Laboratoire national des accélérateurs SLAC
Connues sous le nom d'« ondes de densité de paires », elles peuvent être essentielles pour comprendre comment la supraconductivité peut exister à des températures relativement élevées.
Les supraconducteurs non conventionnels contiennent un certain nombre de phases exotiques de la matière dont on pense qu'elles jouent un rôle, pour le meilleur ou pour le pire, dans leur capacité à conduire l'électricité avec une efficacité de 100% à des températures beaucoup plus élevées que ce que les scientifiques pensaient possible - bien qu'encore bien en deçà des températures cela permettrait leur large déploiement dans des lignes électriques parfaitement efficaces, des trains maglev, etc.
Maintenant, les scientifiques du Laboratoire national des accélérateurs SLAC du Département de l'énergie ont entrevu la signature de l'une de ces phases, connue sous le nom d'ondes de densité de paires ou PDW, et ont confirmé qu'elle est entrelacée avec une autre phase connue sous le nom de bandes d'ondes de densité de charge (CDW) - des motifs en forme d'onde de densité électronique supérieure et inférieure dans le matériau.
L'observation et la compréhension de la PDW et de ses corrélations avec d'autres phases peuvent être essentielles pour comprendre comment la supraconductivité émerge dans ces matériaux, permettant aux électrons de s'apparier et de voyager sans résistance, a déclaré Jun-Sik Lee, un scientifique du SLAC qui a dirigé la recherche au laboratoire. Source de lumière à rayonnement synchrotron de Stanford (SSRL).
Même une preuve indirecte de la phase PDW entrelacée avec des bandes de charge, a-t-il dit, est une étape importante sur le long chemin vers la compréhension du mécanisme derrière la supraconductivité non conventionnelle, qui a échappé aux scientifiques pendant plus de 30 ans de recherche.
Lee a ajouté que la méthode utilisée par son équipe pour faire cette observation, qui impliquait d'augmenter considérablement la sensibilité d'une technique standard de rayons X connue sous le nom de diffusion douce des rayons X résonnants (RSXS) afin qu'elle puisse voir les signaux extrêmement faibles émis par ces phénomènes , a le potentiel d'observer directement à la fois la signature PDW et ses corrélations avec d'autres phases dans les expériences futures. C'est ce sur quoi ils prévoient de travailler ensuite.
Les scientifiques ont décrit leurs découvertes dans un article publié dans Physical Review Letters.
Démêler les secrets des supraconducteurs
L'existence de la phase PDW dans les supraconducteurs à haute température a été proposée il y a plus de dix ans et c'est devenu un domaine de recherche passionnant, les théoriciens développant des modèles pour expliquer son fonctionnement et les expérimentateurs la recherchant dans une variété de matériaux.
Dans cette étude, les chercheurs sont allés le chercher dans un matériau d'oxyde de cuivre, ou cuprate, connu sous le nom de LSCFO pour les éléments qu'il contient - lanthane, strontium, cuivre, fer et oxygène. On pense qu'il héberge deux autres phases qui peuvent s'entrelacer avec PDW : les bandes d'ondes de densité de charge et les bandes d'ondes de densité de spin.
La nature et le comportement des bandes de charge et de spin ont été explorés dans un certain nombre d'études, mais il n'y avait eu que quelques aperçus indirects de PDW - un peu comme l'identification d'un animal à partir de ses traces - et aucun fait avec des techniques de diffusion des rayons X. Parce que la diffusion des rayons X révèle le comportement d'un échantillon entier à la fois, on pense que c'est le moyen le plus prometteur de clarifier si le PDW existe et comment il se rapporte à d'autres phases clés des cuprates, a déclaré Lee.
Au cours des dernières années, l'équipe SSRL a travaillé sur l'augmentation de la sensibilité du RSXS afin qu'il puisse capturer les signaux qu'ils recherchaient.
Le chercheur postdoctoral Hai Huang et l'ingénieur du personnel du SLAC Sang-Jun Lee ont utilisé la technique améliorée dans cette étude. Ils ont diffusé des rayons X hors du LSCFO et dans un détecteur, formant des motifs qui ont révélé ce qui se passait à l'intérieur du matériau. Au fur et à mesure qu'ils abaissaient la température du matériau vers sa plage supraconductrice, des bandes de spin sont apparues et se sont entrelacées pour former des bandes de charge, et ces bandes de charge ont ensuite été associées à l'émergence de fluctuations bidimensionnelles qui sont la marque du PDW.
Les chercheurs ont déclaré que ces résultats démontrent non seulement la valeur de la nouvelle approche RSXS, mais soutiennent également la possibilité que le PDW soit présent non seulement dans ce matériau, mais dans tous les cuprates supraconducteurs.
Référence : "Fluctuations supraconductrices bidimensionnelles associées aux bandes de charge-densité-onde à La1.87Sr0.13Cu0.99Fe0.01O4» par H. Huang, S.-J. Lee, Y. Ikeda, T. Taniguchi, M. Takahama, C.-C. Kao, M. Fujita et J.-S. Lee, 21 avril 2021, Physical Review Letters.
DOI : 10.1103/PhysRevLett.126.167001
Une équipe de recherche dirigée par Masaki Fujita de l'Université de Tohoku au Japon a développé le cristal LSCFO de haute qualité utilisé dans l'expérience et y a effectué des tests préliminaires. La recherche a été financée par le DOE Office of Science. SSRL est une installation utilisateur du DOE Office of Science.
