« Onde de densité de charge » liée aux distorsions atomiques dans un futur supraconducteur

Qu’est-ce qui fait que certains matériaux transportent du courant sans résistance ? Les scientifiques tentent de démêler les caractéristiques complexes. L’exploitation de cette propriété, connue sous le nom de supraconductivité, pourrait conduire à des lignes électriques parfaitement efficaces, à des ordinateurs ultrarapides et à une gamme d’avancées en matière d’économie d’énergie. Comprendre ces matériaux lorsqu’ils ne sont pas la supraconductivité est un élément clé de la quête pour libérer ce potentiel.

« Pour résoudre le problème, nous devons comprendre les nombreuses phases de ces matériaux », a déclaré Kazuhiro Fujita, physicien au département de physique de la matière condensée et des sciences des matériaux du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l’énergie. Dans une nouvelle étude qui vient d’être publiée dans Examen physique XFujita et ses collègues ont cherché à trouver une explication à une bizarrerie observée dans une phase qui coexiste avec la phase supraconductrice d’un supraconducteur en oxyde de cuivre.

L’anomalie était une mystérieuse disparition de l’énergie vibratoire des atomes qui composent le réseau cristallin du matériau. « Les rayons X montrent que les atomes vibrent de manière particulière », a déclaré Fujita. Mais lorsque le matériau est refroidi, les études aux rayons X ont montré qu’un mode de vibration s’arrête.

« Notre étude a exploré la relation entre la structure du réseau et la structure électronique de ce matériau pour voir si nous pouvions comprendre ce qui se passait », a déclaré Fujita.

L’équipe de Brookhaven a utilisé un outil appelé microscope à effet tunnel à balayage d’imagerie spectroscopique (SI-STM). En balayant la surface du matériau en couches avec billionièmesAvec une précision d’un mètre, ils pouvaient cartographier les atomes et mesurer les distances entre eux, tout en mesurant simultanément la charge électrique à chaque emplacement à l’échelle atomique.

Les mesures étaient suffisamment sensibles pour détecter les positions moyennes des atomes lorsqu’ils vibraient et ont montré comment ces positions se déplaçaient et se bloquaient lorsque les vibrations s’arrêtaient. Ils ont également montré que la disparition vibratoire anormale était directement liée à l’émergence d’une « onde de densité de charge » – une distribution modulaire de la densité de charge dans le matériau.

Les électrons qui composent l’onde de densité de charge sont localisés, c’est-à-dire dans des positions fixes – et séparés des électrons plus mobiles qui transportent finalement le courant dans la phase supraconductrice, a expliqué Fujita. Ces électrons localisés forment un motif répétitif de densités supérieures et inférieures qui peuvent être visualisées sous forme d’échelles côte à côte (voir schéma). C’est l’apparence de ce motif qui déforme les vibrations normales des atomes et déplace leurs positions le long de la direction des « échelons ».

« Lorsque la température baisse et que l’onde de densité de charge (CDW) émerge, l’énergie vibratoire diminue », a déclaré Fujita. « En mesurant simultanément la distribution de charge et la structure atomique, vous pouvez voir comment l’émergence du CDW verrouille les atomes en place. »

« Ce résultat implique que, lorsque les atomes vibrent, l’onde de densité de charge interagit avec le réseau et éteint le réseau. Il arrête les vibrations et déforme le réseau », a déclaré Fujita.

C’est donc un indice de plus sur la façon dont deux des caractéristiques d’une phase d’un matériau supraconducteur se couplent. Mais il reste encore beaucoup à découvrir sur ces matériaux prometteurs, a déclaré Fujita.

« Il existe de nombreuses variables. Les électrons et le réseau ne sont que deux. Nous devons considérer tout cela et comment ils interagissent les uns avec les autres pour vraiment comprendre ces matériaux », a-t-il déclaré.