Une forme déroutante de supraconductivité qui ne survient que dans des champs magnétiques forts a été cartographiée et expliquée par une équipe de recherche comprenant Andriy Nevidomskyy, professeur de physique et d'astronomie à l'Université Rice. Leurs résultats, publiés dans Sciencedétail comment l'uranium ditelluride (ute2) développe un halo supraconducteur sous des champs magnétiques forts.
Traditionnellement, les scientifiques ont considéré les champs magnétiques comme préjudiciables aux supraconducteurs. Même les champs magnétiques modérés affaiblissent généralement la supraconductivité, tandis que les plus forts peuvent le détruire au-delà d'un seuil critique connu. Cependant, ute2 a contesté ces attentes lorsque, en 2019, il a été découvert pour maintenir la supraconductivité dans des domaines critiques des centaines de fois plus forts que ceux trouvés dans les matériaux conventionnels.
« Quand j'ai vu les données expérimentales pour la première fois, j'ai été stupéfaite », a déclaré Nevidomskyy, membre du Rice Advanced Materials Institute et du Rice Center for Quantum Materials.
« La supraconductivité a d'abord été supprimée par le champ magnétique comme prévu, mais a ensuite réapparu dans des champs plus élevés et uniquement pour ce qui semblait être une direction de champ étroite. Il n'y avait aucune explication immédiate de ce comportement déroutant. »
Résurrection supraconductrice dans des champs élevés
Ce phénomène, initialement identifié par des chercheurs de l'Université du Maryland (UMD) et de l'Institut national des normes et de la technologie (NIST), a captivé les physiciens du monde entier.
En ute2La supraconductivité a disparu en dessous de 10 Tesla, une force de champ déjà immense par rapport aux normes conventionnelles, mais étonnamment réapparti à des forces de champ supérieures à 40 Tesla.
Ce renouveau inattendu a été surnommé la phase de Lazare. Les chercheurs ont déterminé que cette phase dépend de l'angle du champ magnétique appliqué par rapport à la structure cristalline.
En collaboration avec des collègues expérimentaux de l'UMD et du NIST, Nevidomskyy a décidé de cartographier la dépendance angulaire de cet état supraconducteur de haut terrain. Leurs mesures précises ont révélé que la phase formait un halo toroïdal ou en forme de beignet entourant un axe cristallin spécifique.
« Nos mesures ont révélé un halo supraconducteur tridimensionnel qui s'enroule autour de l'axe b dur du cristal », a déclaré Sylvia Lewin de NIST, un auteur co-dirigé de l'étude. « Ce fut un résultat surprenant et magnifique. »
Théorie du bâtiment pour s'adapter à Halo
Pour expliquer ces résultats, Nevidomskyy a développé un modèle théorique qui expliquait les données sans s'appuyer fortement sur les mécanismes microscopiques débattus. Son approche a utilisé un cadre phénoménologique efficace avec un minimum d'hypothèses sur les forces d'appariement sous-jacentes qui lient les électrons dans les paires de Cooper.
Le modèle a reproduit avec succès la dépendance angulaire non monotonique observée dans les expériences, offrant un aperçu de la façon dont l'orientation du champ magnétique influence la supraconductivité dans Ute2.
Compréhension plus profonde de l'interaction
L'équipe de recherche a révélé que la théorie, équipée de quelques paramètres clés, s'alignait remarquablement bien sur les caractéristiques expérimentales, en particulier le profil angulaire du halo.
Un aperçu clé du modèle est que les paires de Cooper portent un moment angulaire intrinsèque comme le fait un tour de filage en physique classique. Le champ magnétique interagit avec cette élan, créant une dépendance directionnelle qui correspond au motif de halo observé.
Ce travail jette les bases d'une compréhension plus profonde de l'interaction entre le magnétisme et la supraconductivité dans les matériaux avec une forte anisotropie de cristal comme Ute2.
« L'une des observations expérimentales est l'augmentation soudaine de la magnétisation de l'échantillon, ce que nous appelons une transition métamagnétique », a déclaré Peter Czajka de NIST, co-chef de l'étude.
« La supraconductivité à haut champ n'apparaît qu'une fois que l'amplitude du champ a atteint cette valeur, elle-même très dépendant de l'angle. »
L'origine exacte de cette transition métamagnétique et son effet sur la supraconductivité sont vivement débattus par les scientifiques, et Nevidomskyy a déclaré qu'il espérait que cette théorie aiderait à l'élucider.
« Alors que la nature de la colle de jumelage dans ce matériau reste à comprendre, sachant que les paires de Cooper portent un moment magnétique est un résultat clé de cette étude et devrait aider à guider les enquêtes futures », a-t-il déclaré.
