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Un supraconducteur libère une physique rare : un voyage dans les cristaux de ditellurure d’uranium

Superconductor Waves of Charge Signal Rare Physics

Les chercheurs ont découvert des ondes de charge inhabituelles dans les cristaux de ditellurure d’uranium. Ces ondes sont associées à un nouvel aspect de la supraconductivité du cristal. Les observations de l’équipe et le modèle résultant, soutenus par des recherches ultérieures à l’Université Cornell, mettent en évidence le comportement complexe et surprenant des particules quantiques et contribuent de manière significative à la compréhension de la supraconductivité. Crédit : Emily Edwards

Les scientifiques ont apporté une contribution significative à la compréhension de la supraconductivité en observant des ondes de charge inhabituelles dans les cristaux de ditellurure d’uranium.

« Une place pour chaque chose et chaque chose à sa place » – donner un sens à l’ordre, ou au désordre, nous aide à comprendre la nature. Les animaux ont tendance à bien s’intégrer dans les catégories : mammifères, oiseaux, reptiles, tout ce qu’un axolotl est, et plus encore. Le tri s’applique aussi aux matériaux : isolant, semi-conducteur, conducteur, et même supraconducteur. L’emplacement exact d’un matériau dans la hiérarchie dépend d’une interaction apparemment invisible d’électrons, d’atomes et de leur environnement.

L’influence de l’environnement sur les propriétés des matériaux

Cependant, contrairement à la classification des animaux, les frontières entre les catégories de matériaux sont moins distinctes. La modification de l’environnement d’un matériau peut l’inciter à passer d’une catégorie à l’autre. Par exemple, la réduction de la température peut convertir certains matériaux en supraconducteurs, tandis que l’introduction d’un champ magnétique pourrait inverser cet effet. Même au sein d’une même catégorie, différents types d’ordres, ou phases, peuvent émerger. Bien que ces changements à l’échelle nanoscopique soient invisibles à l’œil nu, les scientifiques utilisent des outils d’imagerie avancés pour visualiser ce qui se passe. Parfois, ils rencontrent des comportements inattendus et surprenants.

« La découverte de nouvelles phases de la matière est l’un des Saint Graal de la physique et génère souvent beaucoup d’excitation car elle peut changer notre façon de penser et de voir, et même transformer notre compréhension du comportement des particules quantiques », a déclaré le professeur de physique. Vidya Madhavan.

Ondes inhabituelles dans les cristaux de ditellurure d’uranium

Dirigés par Madhavan, des chercheurs de l’Université de l’Illinois, de l’Université du Maryland, de WashU et du National Institute of Standards and Technology ont maintenant observé des ondes de charge inhabituelles dans un cristal de ditellurure d’uranium (UTe2). Les théoriciens de l’équipe ont développé un modèle qui relie les observations expérimentales à une facette inédite de la supraconductivité inhabituelle du cristal. Les résultats, initialement partagés lors d’une conférence l’année dernière, ont inspiré d’autres chercheurs de l’Université Cornell à mesurer directement les caractéristiques complémentaires de la supraconductivité. Les deux résultats ont été publiés dans le numéro du 28 juin de Nature.

Les supraconducteurs n’ont été découverts que dans les années 1900 et les scientifiques s’efforcent toujours d’expliquer la myriade de matériaux qui entrent dans cette catégorie. Ce travail est le dernier d’une série de résultats concernant le supraconducteur UTe2. Des chercheurs des groupes de Nicholas Butch au NIST et de Johnpierre Paglione à l’Université du Maryland ont fourni les cristaux pour cette étude. Aux températures ambiantes, UTe2 est plutôt banal et ressemble à un peu de roche en fusion brillante. Lorsque le matériau est refroidi avec de l’hélium liquide, il commence à conduire l’électricité sans s’échauffer – c’est ce qu’on appelle la supraconductivité.

Supraconductivité et paires de Cooper

La conductivité régulière, le mouvement des électrons qui alimente les appareils, est principalement un effet à une seule particule. Cela signifie que les scientifiques peuvent expliquer et prédire la conductivité typique en grande partie sans tenir compte de la physique des interactions électron-électron. La supraconductivité est assez différente car elle implique des électrons qui interagissent pour former ce qu’on appelle des paires de Cooper.

Cette interaction diffère d’un matériau à l’autre, ce qui donne différentes « saveurs » de supraconductivité.

Preuve d’appariement triplet dans UTe2

Par exemple, chaque électron possède une propriété appelée spin, qui peut être orientée de deux manières : vers le haut ou vers le bas. Lorsque deux électrons se lient, ils peuvent avoir leurs spins orientés dans des directions opposées ou dans la même direction. Ce dernier est appelé appariement triplet et est un oiseau rare dans le monde de la supraconductivité. Au cours des dernières années, les scientifiques de cette collaboration, ainsi que d’autres groupes, ont effectué des mesures indiquant que UTe2 a un appariement de triplets.

Dans cette étude, les expérimentateurs du groupe de Madhavan ont utilisé un microscope à effet tunnel (STM) pour visualiser la structure microscopique du matériau. Il n’y a pas de lentilles ou de miroirs dans ce microscope. Les électrons fournissent plutôt une fenêtre sensible sur la structure de UTe2. Dans le microscope, une pointe en tungstène balaie la surface du matériau avec une résolution inférieure au nanomètre. La pointe et le matériau font tous deux partie d’un circuit électrique, les électrons traversant le vide de la pointe au matériau. L’effet tunnel quantique provoque ce mouvement et c’est là que l’appareil tire son nom. La configuration fonctionne à 300 millikelvins et des champs magnétiques jusqu’à environ 11 Tesla. La STM a révélé que la distribution de la charge électrique n’était pas uniforme – à la place, il y avait des rayures.

« Nous avons découvert l’existence d’une onde de densité de charge dans l’état supraconducteur, mais ce n’est pas nécessairement inhabituel en soi. Ce qui est étrange, c’est que la destruction de la supraconductivité fait également disparaître l’onde de charge », a déclaré Anuva Aishwarya, auteure principale et étudiante diplômée en physique du groupe de Madhavan qui a poursuivi sans relâche la physique de l’UTe2 et d’autres matériaux exotiques.

Analyse de Fourier et implications

L’analyse de Fourier des données a démontré que les ondes de densité de charge étaient présentes à de faibles champs magnétiques, disparaissant au-dessus de 10 Tesla où la supraconductivité s’est dissipée. C’était un indicateur clé que les ondes étaient en quelque sorte interconnectées avec la supraconductivité du matériau.

Les théoriciens Julian May-Mann et le professeur de physique Eduardo Fradkin de l’UIUC ont fourni une explication à ces observations. Selon l’équipe, les ondes de densité de charge sont engendrées par une onde entièrement différente dans le matériau, une onde composée de paires de Cooper. Aucune de ces vagues ne va et vient comme l’eau. Au lieu de cela, ce sont des variations statiques de deux propriétés différentes, l’une liée à la charge et l’autre aux paires d’électrons en interaction. Ensemble, les vagues donnent un aperçu des types d’ordre qui se produisent dans UTe2. Des ondes parent-fille entrelacées peuvent également apparaître dans d’autres supraconducteurs contenant des atomes de cuivre et d’oxygène. Cette nouvelle étude est la première fois que les scientifiques en voient la preuve dans un supraconducteur avec appariement triplet.

« C’est très excitant pour moi. Si cette onde de densité de charge provient d’une onde de densité de paires de triplets, il peut y avoir une phase fondamentalement nouvelle qui est apparue dans ce matériau en raison d’interactions électroniques très fortes », a déclaré Aishwarya.

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