'La "mort subite" des fluctuations quantiques défie les théories actuelles sur la supraconductivité'

12 janvier 2024

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par Tom Garlinghouse, Université de Princeton

Des physiciens de Princeton ont découvert un changement abrupt de comportement quantique lorsqu'ils expérimentaient avec un isolant épais de trois atomes qui peut être facilement converti en un superconducteur.

La recherche promet d'améliorer notre compréhension de la physique quantique dans les solides en général et de faire avancer l'étude de la physique de la matière condensée quantique et de la superconductivité dans des directions potentiellement nouvelles. Les résultats ont été publiés dans le journal Nature Physics dans un article intitulé 'Unconventional Superconducting Quantum Criticality in Monolayer WTe2'.

Les chercheurs, dirigés par Sanfeng Wu, professeur assistant de physique à l'Université de Princeton, ont découvert que la cessation soudaine (ou 'mort') des fluctuations quantiques mécaniques montre une série de comportements et de propriétés quantiques uniques qui semblent échapper aux théories établies.

Les fluctuations sont des changements aléatoires temporaires dans l'état thermodynamique d'un matériau qui est sur le point de subir une transition de phase. Un exemple familier de transition de phase est la fusion de la glace en eau. L'expérience de Princeton a étudié les fluctuations qui se produisent dans un superconducteur à des températures proches du zéro absolu.

'Ce que nous avons découvert, en observant directement les fluctuations quantiques près de la transition, ce sont des preuves claires d'une nouvelle transition de phase quantique qui désobéit aux descriptions théoriques standard connues dans le domaine', a déclaré Wu. 'Une fois que nous comprendrons ce phénomène, nous pensons qu'il y a une réelle possibilité qu'une nouvelle théorie passionnante émerge'.

Dans le monde physique, les transitions de phase se produisent lorsque qu'un matériau, comme un liquide, un gaz ou un solide, change d'état ou de forme. Mais les transitions de phase se produisent également au niveau quantique. Celles-ci se produisent à des températures approchant le zéro absolu (-273,15 °C) et impliquent l'ajustement continu d'un paramètre externe, tel que la pression ou le champ magnétique, sans augmenter la température.

Les chercheurs s'intéressent particulièrement à la façon dont les transitions de phase quantique se produisent dans les superconducteurs, qui sont des matériaux qui conduisent l'électricité sans résistance. Les superconducteurs peuvent accélérer le processus d'information et servir de base à de puissants aimants utilisés dans les soins de santé et les transports.

'La manière dont une phase supraconductrice peut être modifiée vers une autre phase est un domaine d'étude fascinant', a déclaré Wu. 'Et cela nous intéresse depuis un certain temps dans des matériaux atomiquement minces, propres et monocristallins'.

La supraconductivité se produit lorsque les électrons s'associent et circulent en harmonie sans résistance et sans dissipation d'énergie. Normalement, les électrons circulent de manière erratique à travers les circuits et les fils, se heurtant les uns aux autres d'une manière finalement inefficace et gaspillant de l'énergie. Mais à l'état de supraconductivité, les électrons agissent de concert de manière économe en énergie.

La supraconductivité est connue depuis 1911, bien que le fonctionnement et la raison pour laquelle elle fonctionnait soient restés largement un mystère jusqu'en 1956, lorsque la mécanique quantique a commencé à éclairer le phénomène. Mais ce n'est que depuis la dernière décennie environ que la supraconductivité a été étudiée dans des matériaux bidimensionnels fins atomiquement propres. En effet, pendant longtemps, on croyait que la supraconductivité était impossible dans un monde bidimensionnel.

'C'est arrivé parce qu'à mesure que vous passez à des dimensions plus basses, les fluctuations deviennent si fortes qu'elles 'tuent' toute possibilité de supraconductivité', a déclaré N. Phuan Ong, professeur de physique à l'Université de Princeton et coauteur de l'article.

La principale façon dont les fluctuations détruisent la supraconductivité bidimensionnelle est l'apparition spontanée de ce qui est appelé un vortex quantique (au pluriel : vortex).

Chaque vortex ressemble à un petit tourbillon composé d'un fil microscopique de champ magnétique piégé à l'intérieur d'un courant d'électrons tourbillonnant. Lorsque l'échantillon est chauffé au-dessus d'une certaine température, les vortex apparaissent spontanément par paires: vortex et antivortex. Leur mouvement rapide détruit l'état supraconducteur.

'Un vortex est comme un tourbillon', a déclaré Ong. 'Ce sont des versions quantiques du tourbillon que l'on voit lorsque vous videz une baignoire'.

Aujourd'hui, les physiciens savent que la supraconductivité dans les films ultraminces existe en dessous d'une certaine température critique connue sous le nom de transition de BKT, nommée d'après les physiciens de la matière condensée Vadim Berezinskii, John Kosterlitz et David Thouless. Ces deux derniers ont partagé le prix Nobel de physique en 2016 avec le physicien de Princeton F. Duncan Haldane, professeur de physique à l'Université Sherman Fairchild.

La théorie BKT est largement considérée comme une description réussie de la prolifération des tourbillons quantiques dans les supraconducteurs bidimensionnels et de leur destruction de la supraconductivité. La théorie s'applique lorsque la transition supraconductrice est induite par le réchauffement de l'échantillon.

La question de savoir comment la supraconductivité bidimensionnelle peut être détruite sans augmentation de la température est un domaine de recherche actif dans les domaines de la supraconductivité et des transitions de phase. À des températures proches du zéro absolu, une transition quantique est induite par les fluctuations quantiques. Dans ce scénario, la transition est distincte de la transition BKT induite par la température.

Les chercheurs ont commencé avec un cristal massif de ditellurure de tungstène (WTe2), qui est classé comme un semi-métal en couches. Les chercheurs ont commencé par convertir le ditellurure de tungstène en matériau bidimensionnel en l'exfoliant de plus en plus, ou en pelant, le matériau jusqu'à une couche unique d'un atome d'épaisseur.

À ce niveau de finesse, le matériau se comporte comme un isolant très fort, ce qui signifie que ses électrons ont un mouvement limité et ne peuvent donc pas conduire l'électricité. Étonnamment, les chercheurs ont découvert que le matériau présente une foule de comportements quantiques innovants, tels que le passage entre les phases isolantes et supraconductrices. Ils ont pu contrôler ce comportement de commutation en construisant un dispositif qui fonctionne comme un interrupteur 'marche-arrêt'.

Mais cela n'était que la première étape. Les chercheurs ont ensuite soumis le matériau à deux conditions importantes. La première chose qu'ils ont faite a été de refroidir le ditellurure de tungstène à des températures exceptionnellement basses, environ 50 milliKelvin (mK).

Cinquante milliKelvin équivalent à -273,10° Celsius (ou -459,58° Fahrenheit), une température incroyablement basse à laquelle les effets de la mécanique quantique sont dominants.

Les chercheurs ont ensuite converti le matériau d'isolant en supraconducteur en introduisant quelques électrons supplémentaires dans le matériau. Il ne fallait pas beaucoup de tension pour obtenir l'état supraconducteur. 'Juste une petite quantité de tension de grille peut transformer le matériau d'isolant en supraconducteur', a déclaré Tiancheng Song, chercheur postdoctoral en physique et auteur principal de l'article. 'C'est vraiment un effet remarquable.'

Les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient contrôler précisément les propriétés de la supraconductivité en ajustant la densité d'électrons dans le matériau via la tension de la grille. À une densité d'électrons critique, les tourbillons quantiques se prolifèrent rapidement et détruisent la supraconductivité, entraînant la transition de phase quantique.

Pour détecter la présence de ces tourbillons quantiques, les chercheurs ont créé un léger gradient de température sur l'échantillon, rendant un côté du ditellurure de tungstène légèrement plus chaud que l'autre. 'Les tourbillons cherchent le bord le plus froid', a déclaré Ong. 'Dans le gradient de température, tous les tourbillons de l'échantillon dérivent vers la partie la plus froide, donc ce que vous avez créé, c'est un fleuve de tourbillons qui s'écoule de la partie la plus chaude à la plus froide'.

Le flux de tourbillons génère un signal de tension détectable dans un supraconducteur. Cela est dû à un effet nommé d'après le physicien lauréat du prix Nobel, Brian Josephson, dont la théorie prévoit que chaque fois qu'un courant de tourbillons traverse une ligne tracée entre deux contacts électriques, ils génèrent une faible tension transversale, qui peut être détectée par un nano-voltmètre.

'Nous pouvons vérifier que c'est l'effet Josephson ; si vous inversez le champ magnétique, la tension détectée s'inverse', a déclaré Ong.

'C'est une signature très spécifique d'un courant de tourbillons', a ajouté Wu. 'La détection directe de ces tourbillons en mouvement nous donne un outil expérimental pour mesurer les fluctuations quantiques dans l'échantillon, ce qui est autrement difficile à réaliser'.

Une fois que les auteurs ont pu mesurer ces fluctuations quantiques, ils ont découvert une série de phénomènes inattendus. La première surprise a été la remarquable robustesse des tourbillons. L'expérience a démontré que ces tourbillons persistent à des températures et des champs magnétiques beaucoup plus élevés que prévu. Ils survivent à des températures et des champs bien au-dessus de la phase supraconductrice, dans la phase résistive du matériau.

Une deuxième surprise majeure est que le signal de tourbillon disparaît brusquement lorsque la densité d'électrons est ajustée légèrement en dessous de la valeur critique à laquelle la transition de phase quantique de l'état supraconducteur se produit. À cette valeur critique de densité d'électrons, que les chercheurs appellent le point critique quantique (QCP) et qui représente un point à température nulle dans un diagramme de phase, les fluctuations quantiques entraînent la transition de phase.

'Nous nous attendions à voir des fluctuations fortes persister en dessous de la densité critique d'électrons du côté non supraconducteur, tout comme les fortes fluctuations observées bien au-dessus de la température de transition BKT', a déclaré Wu.

'Yet, what we found was that the vortex signals 'suddenly' vanish the moment the critical electron density is crossed. And this was a shock. We can't explain at all this observation—the 'sudden death' of the fluctuations.'

Ong added, 'In other words, we've discovered a new type of quantum critical point, but we don't understand it.'

In the field of condensed matter physics, there are currently two established theories that explain phase transitions of a superconductor, the Ginzburg-Landau theory and the BKT theory. However, the researchers found that neither of these theories explain the observed phenomena.

'We need a new theory to describe what is going on in this case,' said Wu, 'and that's something we hope to address in future works, both theoretically and experimentally.'

Journal information: Nature Physics

Provided by Princeton University