Déjà utilisés dans les ordinateurs et les appareils d’IRM, les supraconducteurs, des matériaux capables de transmettre l’électricité sans résistance, sont prometteurs pour le développement de technologies encore plus avancées, comme les aérotrains et l’informatique quantique. Pourtant, le fonctionnement de la supraconductivité dans de nombreux matériaux reste un mystère qui limite ses applications.
Une nouvelle étude publiée dans Physique naturelle met en lumière la supraconductivité de AV3Sb5, une famille de métaux kagome récemment découverte. La recherche a été dirigée par Liang Wu de l’École des arts et des sciences et menée par Yishuai Xu, postdoctorant dans le laboratoire de Wu, et les étudiants diplômés Zhuoliang Ni et Qinwen Deng, en collaboration avec des chercheurs de l’Institut Weizmann des sciences et de l’Université de Californie, Sainte Barbe.
Depuis leur découverte, les supraconducteurs de formule chimique AV3Sb5 – où A désigne le césium, le rubidium ou le potassium – ont suscité un immense intérêt pour leurs propriétés exotiques. Les composés présentent un réseau kagome, un arrangement atomique inhabituel qui ressemble et tire son nom d’un motif japonais de tissage de panier de triangles entrelacés partageant les coins. Les matériaux en réseau de Kagome fascinent les chercheurs depuis des décennies car ils ouvrent une fenêtre sur des phénomènes quantiques tels que la frustration géométrique, la topologie et les fortes corrélations.
Alors que des recherches antérieures sur AV3Sb5 ont découvert la coexistence de deux états électroniques coopératifs différents – l’ordre des ondes de densité de charge et la supraconductivité – la nature de la rupture de symétrie qui accompagne ces états n’est pas claire. En physique, la symétrie fait référence à une caractéristique physique ou mathématique d’un système qui reste inchangée sous certaines transformations. Lorsqu’un matériau passe d’un état normal à haute température à un état exotique à basse température comme la supraconductivité, il subit une rupture de symétrie. Wu, dont le laboratoire développe et utilise des techniques optiques résolues dans le temps et non linéaires pour étudier les matériaux quantiques, a entrepris de clarifier la nature de la rupture de symétrie lorsque AV3Sb5 entre dans la phase d’onde de densité de charge.
AV3Sb5 présente ce que les chercheurs appellent une « cascade » de phases à symétrie brisée. En d’autres termes, à mesure que le système se refroidit, il commence à entrer dans un état de rupture de symétrie, avec des températures de plus en plus basses conduisant à des symétries brisées supplémentaires. « Afin d’utiliser les supraconducteurs pour des applications, nous devons les comprendre », déclare Wu. « Parce que la supraconductivité se développe à des températures encore plus basses, nous devons d’abord comprendre la phase d’onde de densité de charge. »
Dans son état normal, AV3Sb5 consiste en une structure cristalline hexagonale, composée de réseaux de kagome d’atomes de vanadium (V) coordonnés par de l’antimoine (Sb) empilés les uns sur les autres, avec des feuilles de césium, de rubidium ou de potassium entre chaque V- Sb couche. La structure est six fois symétrique en rotation; lorsqu’il est tourné de 60 degrés, il reste le même.
Pour savoir si AV3Sb5 conserve sa symétrie sextuple dans la phase d’onde de densité de charge, les chercheurs ont effectué des mesures de biréfringence à balayage sur les trois membres de la famille AV3Sb5. La biréfringence, ou double réfraction, fait référence à une propriété optique présentée par des matériaux avec des axes cristallographiquement distincts, un axe principal et un axe non équivalent. Lorsque la lumière pénètre dans le matériau le long de l’axe non équivalent, elle se divise en deux, chaque rayon étant polarisé et se déplaçant à des vitesses différentes.
« Dans un plan kagome, la réponse optique linéaire devrait être la même dans toutes les directions, mais elles ne sont pas dans AV3Sb5 car entre les deux couches kagome, il y a un décalage relatif », explique Wu, expliquant que les mesures de biréfringence ont révélé la différence entre deux des directions orthogonales dans le plan et un déphasage entre les deux couches qui réduit la symétrie de rotation sextuple des matériaux à deux fois lorsqu’ils entrent dans l’état d’onde de densité de charge. « Ce n’était pas clair pour la communauté des physiciens auparavant. »
Des axes distincts ne sont pas la seule explication de la rotation du plan de polarisation de la lumière. Lorsque la lumière polarisée linéairement rencontre une surface magnétique, elle change également, un phénomène connu sous le nom d’effet Kerr magnéto-optique. Après avoir séparé la propriété de biréfringence en envoyant de la lumière le long de l’axe principal dans des échantillons d’AV3Sb5, les chercheurs ont utilisé une deuxième technique optique pour mesurer l’apparition de l’effet Kerr. Pour les trois métaux, les expériences révèlent que l’effet Kerr commence dans l’état d’onde de densité de charge. Cette découverte indique que la formation d’ondes de densité de charge brise une autre symétrie, la symétrie d’inversion du temps. Le moyen le plus simple de briser la symétrie d’inversion du temps – qui soutient que les lois de la physique restent les mêmes que le temps avance ou recule – est d’utiliser un aimant permanent, comme ceux que nous mettons sur un réfrigérateur, dit Wu.
Cependant, l’effet Kerr n’est observable qu’à basse température avec une résolution élevée, ce qui indique que les métaux kagome ne sont pas sensiblement magnétiques. « Avec ces matériaux quantiques », dit Wu, lui et ses collaborateurs théorisent que la symétrie d’inversion du temps n’est « pas brisée par un aimant permanent mais par un courant de boucle en circulation ». Pour confirmer la nature de la rupture de la symétrie par inversion du temps dans l’état d’onde de densité de charge, les chercheurs ont réalisé une troisième expérience dans laquelle ils ont mesuré le dichroïsme circulaire, ou la réflectivité inégale de la lumière polarisée circulairement à gauche et à droite, de la phase d’onde de densité de charge. « Nous avons encore besoin de travaux supplémentaires, mais cette découverte soutient vraiment la possibilité de faire circuler des courants de boucle », dont l’existence suggérerait la nature non conventionnelle de la supraconductivité dans les métaux, dit Wu.
En 2018, le Congrès a adopté la National Quantum Initiative Act, dans le but de faire progresser la recherche sur les matériaux quantiques et le développement de la technologie quantique. Les matériaux quantiques comprennent ceux qui ont des propriétés topologiques et ceux qui ont une corrélation, comme les métaux kagome AV3Sb5. Alors que les recherches précédentes de Wu étaient centrées sur la première catégorie et les antiferromagnétiques, il dit que la technique d’optique à balayage qu’il avait développée pour ces études présentait un « outil prêt et polyvalent » pour étudier la rupture de symétrie dans les nouveaux métaux kagome.
« Tous les supraconducteurs sont intéressants car ils pourraient potentiellement être utilisés comme base pour les ordinateurs quantiques, mais avant d’utiliser ces nouveaux supraconducteurs pour l’informatique quantique, nous devons comprendre la nature de la supraconductivité », explique Wu.
Plus d’information:
Yishuai Xu et al, Nématicité à trois états et effet Kerr magnéto-optique dans les ondes de densité de charge dans les supraconducteurs kagome, Physique naturelle (2022). DOI : 10.1038/s41567-022-01805-7