Répondre aux besoins énergétiques mondiaux atteint un point critique. L’alimentation de l’ère technologique a causé des problèmes à l’échelle mondiale. Il est de plus en plus important de créer des supraconducteurs capables de fonctionner à pression et température ambiantes. Cela contribuerait grandement à résoudre la crise énergétique.
Les progrès de la supraconductivité dépendent des progrès des matériaux quantiques. Lorsque les électrons à l’intérieur des matériaux quantiques subissent une transition de phase, les électrons peuvent former des motifs complexes, tels que des fractales. Une fractale est un motif sans fin. Lorsque vous zoomez sur une fractale, l’image a le même aspect. Les fractales couramment observées peuvent être un arbre ou du givre sur une vitre en hiver. Les fractales peuvent se former en deux dimensions, comme le givre sur une fenêtre, ou dans un espace tridimensionnel comme les branches d’un arbre.
Le Dr Erica Carlson, professeur de physique et d’astronomie du 150e anniversaire à l’Université Purdue, a dirigé une équipe qui a développé des techniques théoriques pour caractériser les formes fractales que ces électrons créent, afin de découvrir la physique sous-jacente à l’origine des motifs.
Carlson, un physicien théoricien, a évalué des images haute résolution des emplacements des électrons dans le supraconducteur Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x (BSCO), et a déterminé que ces images sont en effet fractales et a découvert qu’elles s’étendent dans tout l’espace tridimensionnel occupé par la matière, comme un arbre remplissant l’espace.
Ce qui était autrefois considéré comme des dispersions aléatoires dans les images fractales est intentionnel et, de manière choquante, n’est pas dû à une transition de phase quantique sous-jacente comme prévu, mais à une transition de phase induite par le désordre.
Carlson a dirigé une équipe collaborative de chercheurs dans plusieurs institutions et a publié ses résultats, intitulés « Corrélations nématiques critiques dans toute la gamme de dopage supraconducteur dans Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x », dans Communication Nature.
L’équipe comprend des scientifiques de Purdue et des institutions partenaires. De Purdue, l’équipe comprend Carlson, le Dr Forrest Simmons, récemment titulaire d’un doctorat. étudiant et ancien doctorant. étudiants Dr Shuo Liu et Dr Benjamin Phillabaum. L’équipe Purdue a terminé ses travaux au sein du Purdue Quantum Science and Engineering Institute (PQSEI). L’équipe des institutions partenaires comprend le Dr Jennifer Hoffman, le Dr Can-Li Song, le Dr Elizabeth Main de l’Université Harvard, le Dr Karin Dahmen de l’Université d’Urbana-Champaign et le Dr Eric Hudson de l’Université d’État de Pennsylvanie.
« L’observation de motifs fractals de domaines orientationnels (« nématiques ») – habilement extraits par Carlson et ses collaborateurs à partir d’images STM des surfaces de cristaux d’un supraconducteur cuprate à haute température – est intéressante et esthétiquement attrayante en soi, mais aussi d’une importance fondamentale considérable. importance pour maîtriser la physique essentielle de ces matériaux », déclare le Dr Steven Kivelson, professeur de la famille Prabhu Goel à l’Université de Stanford et physicien théoricien spécialisé dans les nouveaux états électroniques des matériaux quantiques. « Une certaine forme d’ordre nématique, généralement considérée comme un avatar d’un ordre plus primitif d’ondes de densité de charge, a été conjecturée pour jouer un rôle important dans la théorie des cuprates, mais les preuves en faveur de cette proposition ont déjà été Deux conclusions importantes découlent de l’analyse de Carlson et al. : 1) Le fait que les domaines nématiques apparaissent fractal implique que la longueur de corrélation – la distance sur laquelle l’ordre nématique maintient la cohérence – est plus grande que le champ de vision de l’expérience, ce qui signifie qu’il est très grand par rapport à d’autres échelles microscopiques. 2) Le fait que les modèles qui caractérisent l’ordre sont les mêmes que ceux obtenus à partir des études du modèle tridimensionnel d’Ising à champ aléatoire – l’un des modèles paradigmatiques de la mécanique statistique classique – suggère que l’étendue de l’ordre nématique est déterminée par des quantités extrinsèques et qu’intrinsèquement (c’est-à-dire en l’absence d’imperfections cristallines), il présenterait des corrélations encore plus étendues non seulement le long de la surface, mais s’étendant profondément dans la masse de le cristal. »
Des images haute résolution de ces fractales sont minutieusement prises dans le laboratoire de Hoffman à l’Université de Harvard et dans le laboratoire de Hudson, maintenant à Penn State, en utilisant des microscopes à effet tunnel (STM) pour mesurer les électrons à la surface du BSCO, un supraconducteur cuprate. Le microscope balaye atome par atome sur la surface supérieure du BSCO, et ce qu’ils ont trouvé, ce sont des orientations de bande qui vont dans deux directions différentes au lieu de la même direction. Le résultat, vu ci-dessus en rouge et bleu, est une image irrégulière qui forme des motifs intéressants d’orientation des bandes électroniques.
« Les motifs électroniques sont complexes, avec des trous à l’intérieur des trous et des bords qui ressemblent à des filigranes ornés », explique Carlson. « En utilisant des techniques de mathématiques fractales, nous caractérisons ces formes à l’aide de nombres fractals. De plus, nous utilisons des méthodes statistiques à partir des transitions de phase pour caractériser des choses comme le nombre de clusters d’une certaine taille et la probabilité que les sites soient dans le même cluster. . »
Une fois que le groupe Carlson a analysé ces modèles, ils ont trouvé un résultat surprenant. Ces motifs ne se forment pas seulement sur la surface comme un comportement fractal à couche plate, mais ils remplissent l’espace en trois dimensions. Des simulations pour cette découverte ont été réalisées à l’Université Purdue à l’aide des superordinateurs de Purdue au Rosen Center for Advanced Computing. Des échantillons à cinq niveaux de dopage différents ont été mesurés par Harvard et Penn State, et le résultat était similaire parmi les cinq échantillons.
La collaboration unique entre l’Illinois (Dahmen) et Purdue (Carlson) a introduit les techniques de cluster de la mécanique statistique désordonnée dans le domaine des matériaux quantiques comme les supraconducteurs. Le groupe de Carlson a adapté la technique pour l’appliquer aux matériaux quantiques, étendant la théorie des transitions de phase du second ordre aux fractales électroniques dans les matériaux quantiques.
« Cela nous rapproche un peu plus de la compréhension du fonctionnement des supraconducteurs cuprates », explique Carlson. « Les membres de cette famille de supraconducteurs sont actuellement les supraconducteurs à la température la plus élevée qui se produisent à la pression ambiante. Si nous pouvions obtenir des supraconducteurs qui fonctionnent à la pression et à la température ambiantes, nous pourrions faire beaucoup pour résoudre la crise énergétique car les fils que nous utilisons actuellement pour l’électronique de marche sont des métaux plutôt que des supraconducteurs. Contrairement aux métaux, les supraconducteurs transportent parfaitement le courant sans perte d’énergie. D’autre part, tous les fils que nous utilisons dans les lignes électriques extérieures utilisent des métaux, qui perdent de l’énergie tout au long de leur transport. sont également intéressants car ils peuvent être utilisés pour générer des champs magnétiques très élevés et pour la lévitation magnétique. Ils sont actuellement utilisés (avec des dispositifs de refroidissement massifs !) dans les IRM des hôpitaux et des trains en lévitation.
Les prochaines étapes pour le groupe Carlson consistent à appliquer les techniques de cluster Carlson-Dahmen à d’autres matériaux quantiques.
« En utilisant ces techniques de cluster, nous avons également identifié des fractales électroniques dans d’autres matériaux quantiques, notamment le dioxyde de vanadium (VO2) et les nickelates de néodyme (NdNiO3). Nous soupçonnons que ce comportement pourrait en fait être assez omniprésent dans les matériaux quantiques », déclare Carlson.
Ce type de découverte rapproche les scientifiques quantiques de la résolution des énigmes de la supraconductivité.
« Le domaine général des matériaux quantiques vise à mettre au premier plan les propriétés quantiques des matériaux, à un endroit où nous pouvons les contrôler et les utiliser pour la technologie », explique Carlson. « Chaque fois qu’un nouveau type de matériau quantique est découvert ou créé, nous acquérons de nouvelles capacités, aussi spectaculaires que les peintres découvrant une nouvelle couleur avec laquelle peindre. »
Plus d’information:
Can-Li Song et al, Corrélations nématiques critiques dans toute la gamme de dopage supraconducteur dans Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x, Communication Nature (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-38249-3