Des physiciens de trois continents rapportent la première preuve expérimentale pour expliquer le comportement électronique inhabituel derrière le supraconducteur le plus mince du monde, un matériau aux applications innombrables car il conduit l’électricité de manière extrêmement efficace. Dans ce cas, le supraconducteur n’a qu’une couche atomique d’épaisseur.
Les travaux, dirigés par un professeur du MIT et un physicien du Brookhaven National Laboratory, ont été rendus possibles 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. Ceux-ci, à leur tour, pourraient transformer les domaines du diagnostic médical, de l’informatique quantique et du transport d’énergie, qui utilisent des supraconducteurs.
Le sujet du travail appartient à une classe passionnante de supraconducteurs qui deviennent supraconducteurs à des températures d’un ordre de grandeur plus élevées que leurs homologues conventionnels, ce qui les rend plus faciles à utiliser dans les applications. Les supraconducteurs conventionnels ne fonctionnent qu’à des températures d’environ 10 kelvins, ou -442 degrés Fahrenheit.
Cependant, ces supraconducteurs dits à haute température ne sont pas encore entièrement compris. « Ses excitations et sa dynamique microscopique sont essentielles à la compréhension de la supraconductivité, mais après 30 ans de recherche, de nombreuses questions restent ouvertes », déclare Riccardo Comin, professeur adjoint de développement de carrière en physique au MIT de la promotion 1947. Le nouveau travail, qui était signalé récemment dans Communications de la nature, aide à répondre à ces questions.
Les collègues de travail de Comin incluent Jonathan Pelliari, un ancien postdoctorant du MIT qui est maintenant physicien adjoint au Brookhaven National Laboratory et l’auteur principal de cette étude. Les autres auteurs sont Seher Karakuzu et Thomas A. Maier du Laboratoire national d’Oak Ridge ; Qi Song, Tianlun Yu, Xiaoyang Chen, Rui Peng, Qisi Wang, Jun Zhao et Donglai Feng de l’Université de Fudan ; Riccardo Arpaia, Matteo Rossi et Giacomo Ghiringhelli du Politecnico di Milano (Arpaia est également affilié à l’Université de technologie Chalmers); Abhishek Nag, Jiemin Li, Mirian García-Fernández, Andrew C. Walters et Ke-Jin Zhou de Diamond Light Source au Royaume-Uni ; et Steven Johnston de l’Université du Tennessee à Knoxville.
Le supraconducteur le plus fin au monde
En 2015, les scientifiques ont découvert un nouveau type de supraconducteur à haute température : une couche atomique monocouche de feuille de séléniure de fer capable de supraconductivité à 65 K. En revanche, des échantillons en vrac du même matériau supraconducteur à une température beaucoup plus basse (8K). La découverte “a déclenché une vague de recherches pour décoder les secrets du supraconducteur le plus fin du monde”, explique Comin, qui est également affilié au MIT Materials Research Laboratory.
Dans un métal normal, les électrons se comportent un peu comme des personnes qui dansent dans une pièce. Dans un métal supraconducteur, les électrons se déplacent par paires, comme des paires dans une danse. “Et toutes ces paires bougent à l’unisson, comme si elles faisaient partie d’une chorégraphie quantique, ce qui conduit finalement à une sorte de superfluide électronique”, explique Comin.
Mais quelle est l’interaction, ou la “colle”, qui maintient ensemble ces paires d’électrons ? 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, il ne semble pas qu’il fasse quoi que ce soit”, explique Comin. Cependant, « il se passe beaucoup de choses 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, explique Pelliciei. L’idée est que dans un supraconducteur à haute température, les électrons peuvent capturer une partie de l’énergie de ces spins, appelés excitations de spin. Et cette énergie est la colle qu’ils utilisent pour s’associer.
Jusqu’à présent, la plupart des physiciens pensaient qu’il serait impossible de détecter ou de mesurer des excitations de spin dans un matériau d’une seule couche atomique d’épaisseur. C’est l’aboutissement remarquable des travaux rapportés dans Communications de la nature. Non seulement les physiciens ont détecté des excitations de spin, mais, entre autres choses, ils ont également montré que la dynamique de spin dans l’échantillon ultrafin était radicalement différente de celle de l’échantillon global. Plus précisément, l’énergie des spins fluctuants dans l’échantillon ultrafin 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”, explique Pelliari.
Équipement de pointe
Historiquement, la diffusion de neutrons a été utilisée pour étudier le magnétisme. Le spin étant 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 dans un matériau qui n’a qu’une couche atomique d’épaisseur”, explique Pelliari.
Présentez la diffusion des rayons X inélastique par résonance (RIXS), une nouvelle technique expérimentale que Pelliari a aidé à lancer.
Lui et Comin ont discuté du potentiel d’utiliser RIXS pour étudier la dynamique de spin du nouveau supraconducteur ultrafin, mais Comin était initialement sceptique. “Je me suis dit : ‘Ouais, ce serait génial si nous pouvions faire ça, mais expérimentalement, ce sera presque impossible'”, se souvient Comin. “Je pensais que c’était un vrai coup sur la lune.” Du coup, « quand Johnny a récupéré les premiers résultats, c’était incroyable pour moi. J’ai 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. L’un, situé à Diamond Light Source (Royaume-Uni) et dirigé par Zhou, est l’endroit où l’équipe a mené son expérience. Un autre, qui était encore en construction au moment de l’expérience, se trouve au Brookhaven National Laboratory. Pelliciei fait maintenant partie de l’équipe à la tête de l’installation RIXS, connue sous le nom de Beamline SIX, à la National Synchrotron Light Source II située au Brookhaven Lab.
“L’impact de ce travail est double”, explique Thorsten Schmitt, directeur du New Materials Spectroscopy Group à l’Institut Paul Scherrer en Suisse, qui n’était pas impliqué dans le travail. « Du côté expérimental, c’est une démonstration impressionnante de la sensibilité du RIXS aux excitations de spin dans un matériau supraconducteur d’une seule couche atomique d’épaisseur. De plus, le [resulting data] ils devraient contribuer à la compréhension de l’amélioration de la température de transition supraconductrice dans de tels supraconducteurs minces. “En d’autres termes, les travaux pourraient conduire à des supraconducteurs encore meilleurs.
Valentina Bisogni, scientifique principale chez Beamline SIX qui n’a pas participé à cette étude, déclare : « Comprendre la supraconductivité non conventionnelle est l’un des principaux défis auxquels les scientifiques sont aujourd’hui confrontés. La découverte récente 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 elle offre une nouvelle voie pour étudier les mécanismes qui permettent la supraconductivité à haute température.
« Dans ce contexte, les travaux de Pelliciei et al. présente une étude comparative éclairante du séléniure de fer en vrac et du séléniure de fer en couche mince révélant une reconfiguration spectaculaire des excitations de spin », explique Bisogni.
Cette recherche a été soutenue par l’US Air Force Office of Scientific Research, le programme MIT-POLIMI (Progetto Rocca), le Fonds national suisse de la recherche scientifique, le US Department of Energy (DOE), l’US Naval Research Office, la Fondazione CARIPLO et Regione Lombardia, le Conseil suédois de la recherche, la Fondation Alfred P. Sloan et la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine.
Cette recherche a utilisé les ressources de la National Synchrotron Light Source II, une installation utilisateur du DOE Office of Science située au laboratoire de Brookhaven du DOE.
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