Une étude révèle une symétrie miroir brisée dans la phase semblable à un liquide de Fermi d'un cuprate

27 août 2024 article

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par Ingrid Fadelli , Phys.org

Les matériaux qui présentent des propriétés supraconductrices à haute température, connus sous le nom de supraconducteurs à haute température, ont fait l'objet de nombreuses études récentes, car ils peuvent être utilisés pour développer de nouvelles technologies qui fonctionnent bien à des températures plus élevées. Bien que la supraconductivité à haute température ait été largement étudiée, sa physique sous-jacente n'est pas encore entièrement comprise.

Une étape clé vers une meilleure compréhension de la supraconductivité à haute température consiste à identifier les phases ordonnées des supraconducteurs à haute température et leurs symétries sous-jacentes. En effet, les transitions de phase dans ces matériaux peuvent finalement être liées à leur supraconductivité.

Des chercheurs de l'Université nationale de Séoul en Corée ont récemment mené une étude explorant les phases et les symétries associées dans le matériau cuprate (Bi,Pb)2Sr2CaCu2O8+δ. Leurs résultats, publiés dans Nature Physics, ont dévoilé une phase de type liquide de Fermi présente dans ce matériau au-delà du dopage critique, caractérisée par une symétrie miroir brisée.

« Il y a environ quatre ans, nous cherchions une expérience appropriée pour notre nouvel équipement appelé génération de seconde harmonique par anisotropie rotationnelle (RA-SHG), qui est une technique très sensible et est devenue un outil expérimental important », a déclaré Changyoung Kim, co-auteur de l'article, à Phys.org.

« Il y a eu quelques suggestions selon lesquelles il pourrait y avoir une nouvelle phase dans une région du diagramme de phase du supraconducteur à oxyde de cuivre ou cuprate, appelée la région surdopée. L'instinct a pris le dessus et nous avons réalisé que la SHG était un outil approprié pour rechercher de telles phases. »

La supraconductivité des supraconducteurs cuprates peut être modulée à l'aide d'une technique appelée dopage, qui consiste à ajouter des impuretés ou d'autres éléments à un matériau pour modifier ses propriétés.

Ce processus permet aux chercheurs d'obtenir de manière sélective des supraconducteurs, des métaux ou des isolants. La quantité de dopage à laquelle la supraconductivité peut être obtenue à la température la plus élevée est d'environ 0,15, tandis que toute valeur supérieure à cette valeur est considérée comme un « surdopage ».

De récentes études ont montré que les supraconducteurs cuprates surdopés pourraient présenter une nouvelle phase. Kim et ses collègues ont entrepris de sonder cette phase en utilisant des supraconducteurs dopés au plomb précédemment synthétisés dans leurs laboratoires.

« Les symétries nous en disent beaucoup sur la nature », a expliqué Kim. « Par conséquent, comprendre les symétries est une étape importante de la recherche en physique. Cependant, les symétries peuvent parfois être subtiles (ou parfois cachées) et donc identifier les symétries (ou les symétries brisées) peut devenir assez difficile. La SHG est une technique qui nous permet de détecter les symétries ou leur rupture de la manière la plus sensible possible. »

À l'aide du RA-SHG développé dans leur laboratoire, les chercheurs ont effectué une série de tests sur des échantillons de (Bi,Pb)2Sr2CaCu2O8+δ qui avaient été dopés au-delà du dopage critique. Le dopage critique est un état dans lequel la concentration de dopants introduits dans un matériau dépasse un seuil spécifique, après quoi le matériau présentera des propriétés physiques différentes.

« En physique, il existe ce qu'on appelle la transition de phase quantique, une transition de phase qui se produit à zéro Kelvin (zéro absolu) », explique Kim. « Le point auquel la transition de phase se produit à 0 K est appelé point critique quantique. On pense que la supraconductivité à haute température est liée à ce point critique quantique.

« Dans le cas des supraconducteurs cuprates, le dopage critique est d'environ 0,19 et nos expériences ont été réalisées sur des échantillons qui dépassaient cette valeur. »

Les chercheurs ont découvert une symétrie miroir brisée dans leur échantillon de cuprate, en particulier dans une phase de type liquide de Fermi qui s'est produite au-delà du dopage critique. La température à laquelle cette phase a été observée coïncidait avec la température à laquelle les métaux étranges se transforment généralement en métaux de type liquide de Fermi.

« Les symétries fournissent des informations importantes et on s'attend à ce que ces informations puissent nous conduire au mécanisme microscopique de la supraconductivité à haute température », a déclaré Kim. « C'est pourquoi l'identification des phases et de leurs symétries a été au cœur de la recherche sur les supraconducteurs cuprates.

« Dans notre travail, nous avons trouvé une nouvelle phase et sa symétrie dans le diagramme de phase. La symétrie de la nouvelle phase peut nous aider à identifier la phase, ce qui à son tour peut nous fournir plus d'informations sur la façon dont un électron interagit avec d'autres électrons ou avec son environnement. »

La nouvelle phase découverte dans le cadre de cette étude récente pourrait bientôt être examinée plus en détail à l'aide de diverses autres techniques expérimentales. Kim et ses collègues espèrent que leurs études récentes et futures contribueront à la compréhension de la supraconductivité à haute température.