Superconductivité révolutionnaire : Première visualisation directe d'une onde de densité de paires sans champ magnétique

Dans cette illustration du matériau supraconducteur Eu-1144, l'onde bleue et magenta représentée au-dessus du réseau cristallin représente comment le niveau d'énergie des paires d'électrons (sphères jaunes) se module spatialement alors que ces électrons se déplacent à travers le cristal. Crédit : Brookhaven National Laboratory

La spectroscopie de tunneling révèle la preuve la plus claire jusqu'à présent que cet état exotique de la matière supraconductrice existe sans champ magnétique dans un supraconducteur à base de fer.

Les chercheurs ont découvert un autre état supraconducteur, appelé onde de densité de paires (PDW), dans un milieu non magnétique, remettant en question les compréhensions précédentes de la supraconductivité. Cette percée dans un supraconducteur à base de fer qui présente également un ferromagnétisme ouvre de nouvelles possibilités pour la recherche sur la supraconductivité et pourrait révolutionner le domaine.

Dans le domaine de la supraconductivité, le "graal" de la découverte est un supraconducteur capable de fonctionner à des températures et des pressions courantes. Un tel matériau pourrait révolutionner la vie moderne. Mais actuellement, même les supraconducteurs à "haute température" (haute Tc) qui ont été découverts doivent être maintenus très froids pour fonctionner, ce qui les rend trop froids pour la plupart des applications.

Les scientifiques ont encore beaucoup à apprendre avant que la supraconductivité à température ambiante puisse être réalisée, principalement parce que les supraconducteurs sont des matériaux très complexes avec des états magnétiques et électroniques entremêlés et parfois concurrents. Ces différents états, ou phases, peuvent être très difficiles à démêler et à interpréter.

Un de ces états est un autre état supraconducteur de la matière appelé onde de densité de paires (PDW), caractérisé par des paires couplées d'électrons en mouvement constant. On pensait que les PDW ne se produisaient que lorsque un supraconducteur était placé dans un grand champ magnétique, jusqu'à présent du moins.

Les membres de l'équipe de recherche du Laboratoire national de Brookhaven (de gauche à droite) Raymond Blackwell, He Zhao et Kazuhiro Fujita. Crédit : Brookhaven National Laboratory

Récemment, des chercheurs du Laboratoire national de Brookhaven du Département de l'énergie des États-Unis, de l'Université Columbia et de l'Institut national de la science et de la technologie industrielle avancée du Japon ont directement observé un PDW dans un matériau supraconducteur à base de fer en l'absence de champ magnétique. Ils décrivent leurs résultats dans l'édition en ligne du 28 juin 2023 du journal Nature.

"Les chercheurs de notre domaine ont théorisé qu'un PDW pouvait exister par lui-même, mais les preuves ont été ambiguës dans le meilleur des cas", a déclaré Kazuhiro Fujita, physicien à Brookhaven et participant à l'étude. "Ce supraconducteur à base de fer est le premier matériau dans lequel les preuves pointent clairement vers un PDW sans champ magnétique. Il s'agit d'un résultat passionnant qui ouvre de nouvelles potentialités de recherche et de découverte pour la supraconductivité."

Le matériau, le pnictide de fer EuRbFe4As4 (Eu-1144), qui a une structure cristalline en couches, est également assez remarquable car il présente naturellement à la fois la supraconductivité et le ferromagnétisme. Cette double identité inhabituelle a été ce qui a attiré le groupe vers le matériau et les a amenés à l'étudier.

"Nous voulions voir si ce magnétisme était lié à la supraconductivité. En général, les supraconducteurs sont déstabilisés par l'ordre magnétique, donc lorsque la supraconductivité et le magnétisme coexistent dans un seul composé, il est intéressant de voir comment les deux se côtoient", a déclaré le physicien Abhay Pasupathy, l'un des co-auteurs de l'article, qui est affilié à la fois à Brookhaven et à Columbia. "Il est concevable que les deux phénomènes existent dans différentes parties du composé et n'aient rien à voir l'un avec l'autre. Mais, au lieu de cela, nous avons constaté qu'il existe une belle connexion entre les deux."

La supraconductivité modulée spatialement a été détectée dès l'apparition du magnétisme.

"Il s'agit d'un résultat passionnant qui ouvre de nouvelles potentialités de recherche et de découverte pour la supraconductivité." - Physicien du Brookhaven Lab, Kazuhiro Fujita

Pasupathy et ses collègues ont étudié l'Eu-1144 au laboratoire de vibrations ultra-basses de Brookhaven en utilisant un microscope à effet tunnel à imagerie spectroscopique de pointe (SI-STM).

"Ce microscope mesure le nombre d'électrons à un endroit spécifique dans le matériau qui 'tunnellisent' entre la surface de l'échantillon et la pointe du SI-STM lorsque la tension entre la pointe et la surface varie", a déclaré Fujita. "Ces mesures nous permettent de créer une carte à la fois du réseau cristallin de l'échantillon et du nombre d'électrons à différentes énergies à chaque emplacement atomique."

Ils ont effectué des mesures sur leur échantillon pendant que sa température augmentait, passant par deux points critiques : la température de magnétisme, en dessous de laquelle le matériau présente un ferromagnétisme, et la température de supraconductivité, en dessous de laquelle le matériau est capable de transporter un courant sans résistance.

Below the sample’s critical superconducting temperature, the measurements revealed a gap in the spectrum of electron energies. This gap is an important marker because its size is equivalent to the energy it takes to break apart the electron pairs that carry the superconducting current. Modulations in the gap reveal variations in the electrons’ binding energies, which oscillate between a minimum and maximum. These energy gap modulations are a direct signature of a PDW.

This discovery points researchers in some new directions, such as trying to reproduce this phenomenon in other materials. There are also other aspects of a PDW that can be investigated, such as trying to indirectly detect the movement of the electron pairs via signatures that show up in other properties of the material.

“Many of our collaborators have shown great interest in our work and are already planning different types of experiments on this material, such as using x-rays and muons,” said Pasupathy.

This research group also includes He Zhao (Brookhaven Lab), Raymond Blackwell (Brookhaven Lab), Morgan Thinel (Columbia University), Taketo Handa (Columbia University), Shigeyuki Ishida (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Japan), Xiaoyang Zhu (Columbia University), Akira Iyo (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Japan), and Hiroshi Eisaki (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Japan). The work was funded by the DOE Office of Science (BES), the National Science Foundation, the Air Force Office of Scientific Research, and the Japan Society for the Promotion of Science.