Des avancées spectaculaires dans l’informatique quantique, des smartphones qui n’ont besoin d’être rechargés qu’une fois par mois, des trains qui lévitent et se déplacent à des vitesses ultrarapides. Des sauts technologiques comme ceux-ci pourraient révolutionner la société, mais ils restent largement hors de portée tant que la supraconductivité – le flux d’électricité sans résistance ni gaspillage d’énergie – n’est pas entièrement comprise.
L’une des principales limites des applications réelles de cette technologie est que les matériaux qui rendent possible la supraconductivité doivent généralement être à des températures extrêmement froides pour atteindre ce niveau d’efficacité électrique. Pour contourner cette limite, les chercheurs doivent établir une image claire de ce à quoi ressemblent les différents matériaux supraconducteurs à l’échelle atomique lorsqu’ils passent par différents états de la matière pour devenir des supraconducteurs.
Des chercheurs d’un laboratoire de l’Université Brown, travaillant avec une équipe internationale de scientifiques, ont fait un petit pas de plus pour percer ce mystère pour une famille de métaux Kagome supraconducteurs récemment découverte. Dans un nouvelle étudeils ont utilisé une nouvelle stratégie innovante combinant l’imagerie par résonance magnétique nucléaire et une théorie de modélisation quantique pour décrire la structure microscopique de ce supraconducteur à 103 degrés Kelvin, ce qui équivaut à environ 275 degrés sous 0 degré Fahrenheit.
Les chercheurs ont décrit les propriétés de cet état bizarre de la matière pour ce que l’on pense être la première fois en Recherche d’examen physique. En fin de compte, les découvertes représentent une nouvelle réalisation dans une marche régulière vers des supraconducteurs qui fonctionnent à des températures plus élevées. Les supraconducteurs capables de fonctionner à température ambiante (ou proche de celle-ci) sont considérés comme le Saint Graal de la physique de la matière condensée en raison des formidables opportunités technologiques qu’ils ouvriraient en termes d’efficacité énergétique, notamment dans la transmission d’électricité, le transport et l’informatique quantique.
« Si vous envisagez de concevoir quelque chose et de le rendre commercial, vous devez savoir comment le contrôler », a déclaré la professeure de physique Brown Vesna Mitrović, qui dirige un groupe de RMN de la matière condensée à l’université et est co-auteur du nouveau étude. « Comment le décrivons-nous ? Comment le modifions-nous pour obtenir ce que nous voulons ? Eh bien, la première étape consiste à savoir quels sont les états au microscope. Vous devez commencer à en dresser une image complète. »
La nouvelle étude se concentre sur le supraconducteur RbV3Sb5, composé des métaux rubidium, vanadium et antimoine. Le matériau doit son homonyme à sa structure atomique particulière, qui ressemble à un motif de vannerie qui comporte des triangles en forme d’étoile interconnectés. Les matériaux de Kagome fascinent les chercheurs en raison des informations qu’ils fournissent sur les phénomènes quantiques, reliant deux des domaines les plus fondamentaux de la physique : la physique quantique topologique et la physique de la matière condensée.
Des travaux antérieurs de différents groupes ont établi que ce matériau passe par une cascade de transitions de phase différentes lorsque la température est abaissée, formant différents états de la matière avec différentes propriétés exotiques. Lorsque ce matériau est porté à 103 degrés Kelvin, la structure du réseau change et le matériau présente ce qu’on appelle une onde de densité de charge, où la densité de charge électrique saute de haut en bas. La compréhension de ces sauts est importante pour le développement de théories décrivant le comportement des électrons dans les matériaux quantiques comme les supraconducteurs.
Ce qui n’avait pas été vu auparavant dans ce type de métal Kagome était à quoi ressemblait la structure physique de ce réseau et de cet ordre de charge à la température que les chercheurs examinaient, qui est l’état de température le plus élevé où le métal commence à faire la transition entre différents états de la matière. .
En utilisant une nouvelle stratégie combinant des mesures RMN et une théorie de modélisation connue sous le nom de théorie fonctionnelle de la densité qui est utilisée pour simuler la structure électrique et la position des atomes, l’équipe a pu décrire la nouvelle structure dans laquelle se transforme le réseau et son onde de densité de charge.
Ils ont montré que la structure passe d’un motif 2x2x1 avec un motif étoile de David caractéristique à un motif 2x2x2. Cela se produit parce que le réseau de Kagome s’inverse sur lui-même lorsque la température devient extrêmement glaciale. Le nouveau réseau dans lequel il se transforme est composé en grande partie d’hexagones et de triangles séparés, ont montré les chercheurs. Ils ont également montré comment ce motif se connecte lorsqu’ils prennent un plan de la structure RbV3Sb5 et le font pivoter, en le « regardant » sous un angle différent.
« C’est comme si ce Kagome devenait maintenant ces choses compliquées qui se divisaient en deux », a déclaré Mitrović. « Il étire le réseau de sorte que le Kagome devienne cette combinaison d’hexagones et de triangles dans un plan, puis dans le plan suivant, après l’avoir fait pivoter d’un demi-cercle, il se répète. »
Sonder cette structure atomique est une étape nécessaire pour fournir un portrait complet des états exotiques de la matière dans lesquels ce matériau supraconducteur se transforme, ont déclaré les chercheurs. Ils pensent que les découvertes permettront d’approfondir la question de savoir si cette formation et ses propriétés peuvent aider la supraconductivité ou si c’est quelque chose qui devrait être supprimé pour fabriquer de meilleurs supraconducteurs. La nouvelle technique unique qu’ils ont utilisée permettra également aux chercheurs de répondre à une toute nouvelle série de questions.
« Nous savons ce que c’est maintenant et notre prochain travail consiste à déterminer quelle est la relation avec d’autres phases bizarres à basse température – est-ce que cela aide, est-ce que cela est en concurrence, pouvons-nous le contrôler, pouvons-nous le faire se produire à des températures plus élevées, si C’est utile? » dit Mitrović. « Ensuite, nous continuons à baisser la température et à en apprendre davantage. »
La recherche expérimentale a été dirigée par Jonathan Frassineti, un étudiant diplômé conjoint entre Brown et l’Université de Bologne, Pietro Bonfà de l’Université de Parme, et deux étudiants de Brown : Erick Garcia et Rong Cong. Les travaux théoriques ont été menés par Bonfà tandis que tous les matériaux ont été synthétisés à l’Université de Californie à Santa Barbara.
Plus d’information:
Jonathan Frassineti et al, Nature microscopique de l’onde de densité de charge dans le supraconducteur kagome RbV3Sb5, Recherche d’examen physique (2023). DOI : 10.1103/PhysRevResearch.5.L012017