La supraconductivité est un phénomène quantique, observé dans certains matériaux, qui implique la capacité de conduire de l'électricité sans résistance en dessous d'une température critique. Au cours des dernières années, les physiciens et les scientifiques des matériaux ont essayé d'identifier des matériaux présentant cette propriété (c'est-à-dire les supraconducteurs), tout en rassemblant de nouvelles perspectives sur ses processus physiques sous-jacents.
Les supraconducteurs peuvent être largement divisés en deux catégories: les supraconducteurs conventionnels et non conventionnels. Dans les supraconducteurs conventionnels, les paires d'électrons (c'est-à-dire les paires de Cooper) se forment dues à des interactions médiées par les phonons, résultant en un écart supraconducteur qui suit une symétrie à ondes S isotrope. D'un autre côté, dans les supraconducteurs non conventionnels, cet écart peut présenter des nœuds (c'est-à-dire des points auxquels l'écart supraconducteur disparaît), produisant une symétrie D ou multi-Gap.
Des chercheurs de l'Université de Tokyo ont récemment réalisé une étude visant à mieux comprendre la supraconductivité non conventionnelle précédemment observée dans un composé intermétallique rare-terrasse, appelé prti2Al20qui est connu pour provenir d'un état d'ordre multipolaire. Leurs résultats, publiés dans Communications de la naturesuggèrent qu'il existe un lien entre les interactions quadripolaires et la supraconductivité dans ce matériau.
« Au microscope des matériaux quantiques, le bloc de construction de base est l'électron, qui a un rotation de charge microscopique et des degrés de liberté orbitaux », a déclaré Mingxuan Fu, co-auteur du journal, à Issues.fr. « Lorsque les électrons sont emballés ensemble en nombre énorme dans un matériau, leurs différents degrés de liberté peuvent interagir de manière complexe et fascinante, créant un paysage incroyablement diversifié de propriétés régies par la mécanique quantique. Parmi celles-ci, le plus il est le plus illustré la suprconductivité non conventionnelle. »
Alors que de nombreuses études antérieures ont tenté de découvrir les origines de la supraconductivité non conventionnelle, sa force motrice sous-jacente reste mal comprise. Une réponse concluante à cette question de recherche de longue date pourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour la poursuite des progrès des technologies quantiques.
« Traditionnellement, le domaine s'est fortement concentré sur la compréhension du rôle des tours d'électrons dans la génération et la façonnement de la supraconductivité non conventionnelle », a déclaré Satoru Nakatsuji, l'auteur correspondant de l'article. « Cependant, au fur et à mesure que la recherche progresse, il devient clair que ce puzzle est beaucoup plus riche et plus complexe que nous ne le pensions initialement. D'autres ingrédients, tels que l'orbital et la charge, peuvent également jouer un rôle vital, et leur implication pourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour une nouvelle supraconductivité. »
S'appuyant sur leurs efforts de recherche antérieurs, Fu, Nakatsuji et leurs collègues ont décidé de concevoir un nouveau supraconducteur, présentant une supraconductivité émergeant de quelque chose d'autre que la dynamique des spin électroniques. Plus précisément, ils espéraient déterminer si la supraconductivité pourrait également être produite en tirant parti des moments multipolaires d'ordre élevé, sans tours d'électrons.
« Dans ce travail, nous nous sommes concentrés sur l'exploration d'une phase quantique unique où la supraconductivité émerge d'un ordre ferroquadrupolaire pur – les quadrupôles à haut ordre s'alignent uniformément dans un réseau ordonné à travers le matériau, similaire à la façon dont les spins s'alignent dans un état ferromagnétique, mais dans ce cas, la commande ne concerne que le quadrupols sans aucune spin », a déclaré Akito SAKAI, lead-auteur de la papier.
« Nos objectifs étaient de comprendre comment l'ordre ferroquadrupolaire est lié à l'émergence de la supraconductivité et comment il influence la façon dont les paires d'électrons se forment et interagissent dans l'état supraconducteur. »
Le nouveau supraconducteur examiné dans le cadre de cette étude, à savoir PRTI2Al20a déjà été conçu par les chercheurs. Lorsque ce matériau est dans son état d'énergie le plus bas, qui est l'état dans lequel les effets quantiques dominent, les moments quadrupolaires et octopolaires d'ordre élevé sont actifs, tandis que les moments dipolaires magnétiques (c.-à-d. Les spins) sont absents.
« Cette fonctionnalité offre un avantage inégalé dans l'étude de la supraconductivité entraînée par des moments multipolaires », a expliqué Nakatsuji. « Travailler sur ce matériau apporte un immense plaisir intellectuel, car il est très rare de rencontrer une plate-forme de modèle aussi propre pour étudier la physique multipolaire. »
La détection et l'étude des phénomènes physiques motivés par multipoll est généralement très difficile. Cela est principalement dû au contraire des effets basés sur le spin, qui peuvent être facilement observés en utilisant des sondes expérimentales largement disponibles, ces phénomènes sont souvent beaucoup plus difficiles à ramasser.
« Il n'y a pas eu une seule méthode décisive pour étudier les phénomènes multipolaires », a déclaré Nakatsuji. « C'est pourquoi dans notre étude, nous avons utilisé plusieurs techniques expérimentales, de la capacité thermique et de la magnétisation DC à la résistivité. Nous avons également exploré comment les phases ferroquadrupolaires et supraconductrices ont évolué avec le dopage chimique.
En utilisant un ensemble de techniques soigneusement sélectionné, les chercheurs ont pu aborder ce problème sous différents angles, créant finalement une image globale cohérente de ce qui motive la supraconductivité dans PRTI2Al20 Leur article a été le premier à fournir une caractérisation complète de la supraconductivité non conventionnelle résultant de moments multipolaires.
« Le comportement supraconducteur que nous avons observé n'est en aucun cas similaire à la supraconductivité conventionnelle expliquée par la théorie du manuel Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) », a expliqué Sakai. « De telles distinctions de la supraconductivité du BCS découlent d'une nouvelle symétrie d'appariement – un modèle inhabituel dans lequel les paires d'électrons interagissent dans les états supraconducteurs. »
Dans l'ensemble, les chercheurs ont montré que l'évolution de la supraconductivité entraînée par le dopage chimique est étonnamment différente de celle émergeant des fluctuations de spin. Cette étude pourrait bientôt ouvrir la voie à de nouvelles recherches en se concentrant sur ce type spécifique de supraconductivité, qui pourrait aider à valider les résultats de l'équipe et éventuellement contribuer au développement de nouvelles technologies quantiques.
« Grâce à la dépendance au dopage chimique, nous avons constaté que l'ordre ferroquadrupolaire et la symétrie de l'appariement supraconducteur sont étroitement liés, offrant de nouvelles perspectives sur la façon dont la suprconductivité et l'ordre multipolaire dansent ensemble et s'influencent mutuellement », a déclaré Fu. « Ce travail nous a considérablement motivés à approfondir le domaine inexploité des phases et propriétés quantiques induites par multipols, en identifiant leurs principales différences par rapport aux homologues axés sur le spin, tels que de nouveaux types de métaux étranges ou de criticité quantique. »
En étudiant davantage les états quantiques induits par multipols, les chercheurs espèrent éventuellement concevoir un nouveau cadre théorique qui décrit mieux ces phénomènes et leur physique sous-jacente, potentiellement ouvrant une nouvelle voie vers la supraconductivité à haute température. Notamment, les multipôles sont devenus l'objet d'un nombre croissant d'études, et les efforts de cette équipe de recherche pourraient jouer un rôle clé dans leur application pratique future.
« Le concept de multipoles a acquis un terrain solide dans la recherche sur les matériaux quantiques, et son spectre d'influence s'est développé rapidement ces dernières années, par exemple, dans la compréhension des fonctionnalités des antiferromagnets topologiques », a ajouté Nakatsuji.
« Les phénomènes quantiques sontés expérimentalement motivés par les multipôles atomiques en tant qu'entité physique nous donne un guide puissant et inspirant. Ce guide peut nous conduire loin dans l'exploitation des propriétés quantiques uniques des multipôles, stimulant de nouvelles découvertes scientifiques et des applications innovantes qui poussent au-delà du paradigme traditionnel à dominance spin. »
