Dans une étude récente, des chercheurs dirigés par Chen Qihong et Jin Kui de l’Institut de physique (IOP) de l’Académie chinoise des sciences (CAS) ont utilisé une technique de déclenchement ionique-liquide pour régler la température de transition (Tc) de FeSe, la structure supraconducteur à base de fer le plus simple, et a trouvé une relation quantitative universelle entre la supraconductivité et l’état du métal étrange, qui donne un aperçu du mécanisme responsable de la supraconductivité à haute température. L’étude a été publiée dans Physique naturelle.
Dans les supraconducteurs, les électrons forment des paires et voyagent sans dissipation. Bien que le mécanisme d’appariement des supraconducteurs conventionnels soit bien décrit par la théorie de Bardeen-Cooper-Schrieffer, la façon dont les électrons s’apparient dans les supraconducteurs à haute température est restée un mystère.
On pense que les indices résident dans le comportement « métal étrange » de l’état normal, c’est-à-dire l’état à des températures supérieures à la Tc supraconductrice. Des exemples d’un tel comportement comprennent la résistivité linéaire en température (T-linéaire), qui est différente de la relation quadratique température-résistivité des liquides de Fermi conventionnels.
Le groupe de Jin Kui a développé une technique avancée de fabrication de films à étalement de composition (combinatoire) et a ensuite découvert une relation quantitative entre Tc et A1 (le coefficient de résistivité T-linéaire) dans un cuprate dopé aux électrons, à savoir Tc ∝ (A1) 0,5.
« Une question clé est de savoir si l’exposant d’échelle dans cette équation est le même pour les autres supraconducteurs à haute Tc », a déclaré Jin. « Il est difficile d’accumuler suffisamment de points de données fiables pour déterminer de manière concluante cet indice de loi de puissance car les données obtenues par les méthodes conventionnelles sont généralement rares et présentent une grande variabilité. »
Dans leur nouvelle étude, ils ont réglé en continu la supraconductivité de FeSe par déclenchement ionique-liquide, qui a réalisé un dopage électronique par injection d’ions hydrogène. Pour surveiller le processus de dopage, les chercheurs ont conçu un dispositif de mesure d’inductance mutuelle à deux bobines intégré avec déclenchement ionique-liquide. À l’aide de cet appareil, ils ont obtenu un réglage global uniforme de FeSe, avec Tc variant de 8 K à plus de 45 K.
En utilisant des aimants à champ élevé, ils ont obtenu des signatures claires de l’état de métal étrange dans FeSe, à savoir la résistivité T-linéaire et linéaire dans le champ (H-linéaire), et une mise à l’échelle H/T de la magnétorésistance. Par la suite, ils ont cartographié la relation entre la supraconductivité et l’état du métal étrange sur une large plage de dopage. Avec A1 et Tc extraits de chaque niveau de dopage, une relation quadratique entre A1 et Tc a émergé des données systématiques, ce qui indique que l’indice de loi de puissance est de 0,5 pour FeSe.
La combinaison de ce résultat avec la relation précédemment rapportée dans les supraconducteurs cuprates conduit à la conclusion que cette dépendance quadratique est universelle et robuste. Cette découverte fournit des preuves solides d’une image unifiée de l’interaction entre la métallicité étrange et la supraconductivité non conventionnelle.
Un mécanisme pourJc la supraconductivité qui a été fréquemment évoquée est la formation de paires d’électrons par interactions avec les fluctuations de spin. On pense que la supraconductivité dans le sel de Bechgaard et les cuprates dopés aux électrons est liée aux fluctuations de spin antiferromagnétiques.
Compte tenu du comportement hautement universel observé dans ces systèmes – la résistivité linéaire T et linéaire H et l’interaction entre l’état de métal étrange et la supraconductivité – il est fort probable que le même mécanisme, ou un mécanisme similaire, soit également à l’œuvre dans le fer- à base de supraconducteurs. Par conséquent, les fluctuations de spin peuvent avoir un rôle commun dans les supraconducteurs non conventionnels.
« Cette étude est passionnante car la découverte d’une relation quantitative entre le métal étrange et la supraconductivité indique que le mécanisme peut être applicable à d’autres supraconducteurs, tels que les cuprates », a déclaré David Abergel, rédacteur en chef de Physique naturelle.
Plus d’information:
Xingyu Jiang et al, Interaction entre la supraconductivité et l’état de métal étrange dans FeSe, Physique naturelle (2023). DOI : 10.1038/s41567-022-01894-4