La comparaison de composés « frères » pourrait être la clé du casse-tête quantique dans les matériaux supraconducteurs

Depuis des années, les physiciens tentent d’expliquer un phénomène quantique qui se produit dans une grande classe de matériaux supraconducteurs : les électrons contenus dans les « métaux étranges » se dispersent à des vitesses élevées selon la température. Comprendre pourquoi cela se produit dans certains métaux non conventionnels pourrait être la clé de nombreuses énigmes liées aux matériaux quantiques, notamment la supraconductivité à haute température, recherchée depuis longtemps par les physiciens pour un moyen plus efficace de transfert d’énergie électrique.

Dans deux nouveaux articles, une collaboration internationale de chercheurs comprenant des physiciens de Cornell explique, au niveau microscopique, pourquoi une telle diffusion « planckienne » se produit dans le composé PdCrO2 alors qu’elle ne se produit pas dans sa « sœur » presque identique PdCoO2.

La diffusion planckienne, la vitesse à laquelle les électrons se heurtent aux imperfections du matériau et entre eux, augmente linéairement avec la température. En comparant PdCrO2 et PdCoO2, qui sont des cristaux très propres aux propriétés bien documentées, les chercheurs donnent pour la première fois une description quantitativement précise de l’origine du mystérieux « taux de diffusion planckienne » dans les métaux en forte interaction.

« Résistivité T-linéaire de la diffusion magnéto-élastique : application à PdCrO2 » publié le 28 août dans Actes de l’Académie nationale des sciences (PNAS).

Dans de nombreux métaux étranges, le temps caractéristique entre les collisions d’électrons, entre eux et contre tout ce qu’ils rencontrent sur leur passage, est déterminé par la constante de Planck et la température, a déclaré Debanjan Chowdhury, professeur adjoint de physique au Collège des Arts et des Sciences. et co-auteur de l’article. Une grande majorité des supraconducteurs à haute température connus, lorsqu’ils sont chauffés au-dessus de leur température supraconductrice, présentent cette propriété.

C’est pourquoi on a cru pendant un certain temps que la clé pour comprendre l’origine de la supraconductivité à haute température résidait dans la compréhension du fil conducteur commun à ces matériaux qui conduit à cette échelle de temps planckienne universelle.

« La motivation derrière cette collaboration théorique et expérimentale était d’avoir au moins un exemple matériel où chaque propriété pertinente pour le transport électrique est connue avec précision, et de construire une théorie microscopique sur l’origine des temps de diffusion planckiens », a déclaré Chowdhury.

« Pour autant que je sache, c’est l’un des premiers composés non conventionnels pour lequel nous disposons d’une théorie quantitative du transport à partir d’un modèle microscopique du matériau, qui se trouve déjà en grand accord avec l’expérience. »

Les enjeux étant élevés pour appliquer cela à une utilisation très efficace de l’énergie, un effort considérable est déployé en physique de la matière condensée pour en comprendre la cause, a déclaré Chowdhury. « Le malheur est que ces matériaux supraconducteurs sont vraiment difficiles à comprendre et à modéliser théoriquement », a-t-il déclaré. « Notre espoir était donc de nous concentrer d’abord sur un matériau plus simple, plus propre et vraiment bien caractérisé afin d’élaborer une théorie sur ce phénomène. »

Le matériau de choix, PdCrO2, est une « delafossite » magnétique (une sorte d’oxyde de chrome) que Chowdhury appelle un exemple paradigmatique de « matériau corrélé intéressant » avec deux espèces d’électrons : un ensemble d’électrons mobiles qui conduisent librement l’électricité, et un autre ensemble d’électrons immobiles qui affichent du magnétisme. Le magnétisme électronique dans PdCrO2 est essentiel ; dans le composé frère PdCoO2, tout se ressemble, sauf qu’il n’y a aucune trace de magnétisme. Dans PdCrO2, le transport électrique est planckien, alors que dans PdCoO2, il ne l’est pas.

Mais le magnétisme lui-même ne suffit pas à expliquer l’origine des échelles de temps planckiennes.

« La pièce cruciale du puzzle s’avère être un processus coopératif inattendu dans lequel les électrons interagissent de manière concomitante avec les vibrations du cristal et les spins localisés, les éléments fondamentaux du magnétisme », a déclaré Juan Felipe Mendez Valderrama, doctorant en physique et co. -auteur principal avec Evyatar Tulipman de l’Institut Weizmann des Sciences d’Israël.

« Nous pouvons désormais rechercher de nouveaux matériaux candidats dans lesquels cette interaction jusqu’alors ignorée joue un rôle dominant, et en modifiant l’un de ces ingrédients, nous pouvons générer des phénomènes entièrement nouveaux. »

Erez Berg de l’Institut des sciences Weizmann, Elina Zhakina de l’Institut Max Planck et Andrew P. MacKenzie de l’Université de St. Andrews sont co-auteurs de cette collaboration. Chowdhury et Berg, collaborateurs de longue date, ont décidé d’unir leurs forces à l’été 2022 lorsqu’ils ont découvert par hasard qu’ils avaient le même ensemble d’idées pour résoudre le puzzle expérimental alors qu’ils participaient à un atelier d’été au Aspen Center for Physics.

L’étude expérimentale qui a motivé la théorie, « Enquête sur le comportement planckien dans un oxyde à haute conductivité : PdCrO2 », a également été publiée le 28 août dans PNAS avec tout ce qui précède parmi les auteurs.

« Notre étude a identifié une source de diffusion des électrons inévitable, et jusqu’alors ignorée, dans les matériaux delafossite », a déclaré Chowdhury. « Bien que nous nous concentrions sur un matériau spécifique, bon nombre de ces considérations sont également pertinentes pour une foule d’autres matériaux, peut-être plus complexes. Nous espérons que cette nouvelle compréhension mènera à des connaissances fondamentales sur une classe plus large de matériaux dans lesquels le transport électrique affiche le mystérieuse échelle de temps planckienne.