Les chercheurs découvrent que les images supraconductrices sont en réalité des fractales en 3D et générées par le désordre.

12 mai 2023

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par Cheryl Pierce, Université Purdue

La satisfaction de la demande d'énergie mondiale atteint un point critique. Alimenter l'âge technologique a causé des problèmes dans le monde entier. Il est de plus en plus important de créer des supraconducteurs qui peuvent fonctionner à pression et température ambiante. Cela contribuerait grandement à résoudre la crise énergétique. 

Les avancées en matière de supraconductivité dépendent des progrès des matériaux quantiques. Lorsque des électrons à l'intérieur de matériaux quantiques subissent une transition de phase, les électrons peuvent former des motifs complexes, tels que des fractales. Une fractale est un motif sans fin. Lorsque l'on zoome sur une fractale, l'image reste la même. Les fractales couramment observées peuvent être un arbre ou du givre sur une vitre en hiver. Les fractales peuvent se former en deux dimensions, comme le givre sur une vitre, ou en trois dimensions, comme les branches d'un arbre.

Le Dr Erica Carlson, professeur d'astronomie et de physique à l'Université Purdue, a dirigé une équipe qui a développé des techniques théoriques pour caractériser les formes fractales que ces électrons créent, afin de découvrir la physique sous-jacente conduisant aux motifs.

Carlson, physicienne théoricienne, a évalué des images haute résolution des emplacements des électrons dans le supraconducteur Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x (BSCO) et a déterminé que ces images sont effectivement fractales et a découvert qu'elles s'étendent dans l'espace tridimensionnel occupé par le matériau, comme un arbre remplissant l'espace.

Ce qui était autrefois considéré comme des dispersions aléatoires au sein des images fractales est intentionnel et, étonnamment, n'est pas dû à une transition de phase quantique sous-jacente comme prévu, mais à une transition de phase induite par un désordre.

Carlson a dirigé une équipe de chercheurs en collaboration dans plusieurs institutions et a publié leurs résultats, intitulés "Critical nematic correlations throughout the superconducting doping range in Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x" dans Nature Communications.

L'équipe comprend des scientifiques de Purdue et des institutions partenaires. L'équipe de Purdue comprend Carlson, le Dr Forrest Simmons, récent doctorant, et les anciens doctorants, le Dr Shuo Liu et le Dr Benjamin Phillabaum. L'équipe de Purdue a réalisé son travail au sein de l'Institut de science et d'ingénierie quantiques de Purdue (PQSEI). L'équipe des institutions partenaires comprend le Dr Jennifer Hoffman, le Dr Can-Li Song, le Dr Elizabeth Main de l'Université Harvard, le Dr Karin Dahmen de l'Université de Urbana-Champaign et le Dr Eric Hudson de l'Université de l'État de Pennsylvanie.

"L'observation de motifs fractals de domaines d'orientation ('nématic') - ingénieusement extraits par Carlson et ses collaborateurs à partir d'images STM de surfaces de cristaux d'un supraconducteur à haute température de type cuprate - est intéressante et esthétiquement attrayante en elle-même, mais aussi d'une importance fondamentale considérable pour comprendre la physique essentielle de ces matériaux", déclare le Dr Steven Kivelson, le professeur de la famille Prabhu Goel à l'Université Stanford et physicien théoricien spécialisé dans les états de charge électronique dans les matériaux quantiques nouveaux. "Une forme d'ordre nématic, traditionnellement considérée comme un avatar d'un ordre plus primitif de densité de charge, a été conjecturée pour jouer un rôle important dans la théorie des cuprates, mais les preuves en faveur de cette proposition ont été auparavant ambiguës au mieux. Deux inférences importantes suivent de l'analyse de Carlson et al. : 1) Le fait que les domaines nématic apparaissent fractals implique que la longueur de corrélation - la distance sur laquelle l'ordre nématic maintient la cohérence - est plus grande que le champ de vision de l'expérience, ce qui signifie qu'elle est très grande par rapport aux autres échelles microscopiques. 2) Le fait que les motifs qui caractérisent l'ordre sont les mêmes que ceux obtenus à partir d'études du modèle d'Ising de champ aléatoire tridimensionnel - l'un des modèles paradigmatiques de la mécanique statistique classique - suggère que l'étendue de l'ordre nématic est déterminée par des quantités extrinsèques et qu'intrinsèquement (c'est-à-dire en l'absence d'imperfections cristallines), il présenterait des corrélations de portée encore plus grande non seulement le long de la surface, mais s'étendant profondément dans le volume du cristal."

High resolution images of these fractals are painstakingly taken in Hoffman's lab at Harvard University and Hudson's lab, now at Penn State, using scanning tunneling microscopes (STM) to measure electrons at the surface of the BSCO, a cuprate superconductor. The microscope scans atom by atom across the top surface of the BSCO, and what they found was stripe orientations that went in two different directions instead of the same direction. The result, seen above in red and blue, is a jagged image that forms interesting patterns of electronic stripe orientations.

'The electronic patterns are complex, with holes inside of holes, and edges that resemble ornate filigree,' explains Carlson. 'Using techniques from fractal mathematics, we characterize these shapes using fractal numbers. In addition, we use statistics methods from phase transitions to characterize things like how many clusters are of a certain size, and how likely the sites are to be in the same cluster.'

Once the Carlson group analyzed these patterns, they found a surprising result. These patterns do not form only on the surface like flat layer fractal behavior, but they fill space in three dimensions. Simulations for this discovery were carried out at Purdue University using Purdue's supercomputers at Rosen Center for Advanced Computing. Samples at five different doping levels were measured by Harvard and Penn State, and the result was similar among all five samples.

The unique collaboration between Illinois (Dahmen) and Purdue (Carlson) brought cluster techniques from disordered statistical mechanics into the field of quantum materials like superconductors. Carlson's group adapted the technique to apply to quantum materials, extending the theory of second order phase transitions to electronic fractals in quantum materials.

'This brings us one step closer to understanding how cuprate superconductors work,' explains Carlson. 'Members of this family of superconductors are currently the highest temperature superconductors that happen at ambient pressure. If we could get superconductors that work at ambient pressure and temperature, we could go a long way toward solving the energy crisis because the wires we currently use to run electronics are metals rather than superconductors. Unlike metals, superconductors carry current perfectly with no loss of energy. On the other hand, all the wires we use in outdoor power lines use metals, which lose energy the whole time they are carrying current. Superconductors are also of interest because they can be used to generate very high magnetic fields, and for magnetic levitation. They are currently used (with massive cooling devices!) in MRIs in hospitals and levitating trains.'

Next steps for the Carlson group are to apply the Carlson-Dahmen cluster techniques to other quantum materials.

'Using these cluster techniques, we have also identified electronic fractals in other quantum materials, including vanadium dioxide (VO2) and neodymium nickelates (NdNiO3). We suspect that this behavior might actually be quite ubiquitous in quantum materials,' says Carlson.

This type of discovery leads quantum scientists closer to solving the riddles of superconductivity.

'The general field of quantum materials aims to bring to the forefront the quantum properties of materials, to a place where we can control them and use them for technology,' Carlson explains. 'Each time a new type of quantum material is discovered or created, we gain new capabilities, as dramatic as painters discovering a new color to paint with.'

Journal information: Nature Communications

Provided by Purdue University