La « mort subite » des fluctuations quantiques défie les théories actuelles de la supraconductivité

Les physiciens de Princeton ont découvert un changement brutal dans le comportement quantique en expérimentant un isolant mince de trois atomes qui peut être facilement transformé en supraconducteur.

La recherche promet d’améliorer notre compréhension de la physique quantique des solides en général et de propulser l’étude de la physique quantique de la matière condensée et de la supraconductivité dans des directions potentiellement nouvelles. Le résultats ont été publiés dans la revue Physique naturelle dans un article intitulé « Criticité quantique supraconductrice non conventionnelle dans la monocouche WTe2 ».

Les chercheurs, dirigés par Sanfeng Wu, professeur adjoint de physique à l’Université de Princeton, ont découvert que la cessation soudaine (ou « mort ») des fluctuations de la mécanique quantique présente une série de comportements et de propriétés quantiques uniques qui semblent échapper aux théories établies. .

Les fluctuations sont des changements aléatoires temporaires dans l’état thermodynamique d’un matériau sur le point de subir une transition de phase. Un exemple familier de transition de phase est la fonte de la glace en eau. L’expérience de Princeton a étudié les fluctuations qui se produisent dans un supraconducteur à des températures proches du zéro absolu.

« Ce que nous avons découvert, en examinant directement les fluctuations quantiques à proximité de la transition, était une preuve claire d’une nouvelle transition de phase quantique qui désobéit aux descriptions théoriques standard connues dans le domaine », a déclaré Wu. « Une fois que nous aurons compris ce phénomène, nous pensons qu’il existe une réelle possibilité qu’une nouvelle théorie passionnante émerge. »

Phases quantiques et supraconductivité

Dans le monde physique, les transitions de phase se produisent lorsqu’un matériau tel qu’un liquide, un gaz ou un solide passe d’un état ou d’une forme à un autre. Mais les transitions de phase se produisent également au niveau quantique. Celles-ci se produisent à des températures proches du zéro absolu (-273,15° Celsius) et impliquent le réglage continu de certains paramètres externes, tels que la pression ou le champ magnétique, sans augmenter la température.

Les chercheurs s’intéressent particulièrement à la façon dont les transitions de phase quantique se produisent dans les supraconducteurs, des matériaux qui conduisent l’électricité sans résistance. Les supraconducteurs peuvent accélérer le processus d’information et constituer la base d’aimants puissants utilisés dans les soins de santé et les transports.

« La manière dont une phase supraconductrice peut être transformée en une autre phase est un domaine d’étude fascinant », a déclaré Wu. « Et nous nous intéressons depuis un certain temps à ce problème dans les matériaux atomiquement minces, propres et monocristallins. »

La supraconductivité se produit lorsque les électrons s’apparient et circulent à l’unisson sans résistance et sans dissipation d’énergie. Normalement, les électrons voyagent à travers les circuits et les fils de manière irrégulière, se bousculant d’une manière qui s’avère finalement inefficace et gaspille de l’énergie. Mais dans l’état supraconducteur, les électrons agissent de concert de manière économe en énergie.

La supraconductivité est connue depuis 1911, même si comment et pourquoi elle fonctionne est restée largement un mystère jusqu’en 1956, lorsque la mécanique quantique a commencé à faire la lumière sur le phénomène. Mais ce n’est qu’au cours de la dernière décennie que la supraconductivité a été étudiée dans des matériaux bidimensionnels propres et atomiquement minces. En effet, on a longtemps cru que la supraconductivité était impossible dans un monde à deux dimensions.

« Cela est dû au fait que, à mesure que vous descendez dans des dimensions inférieures, les fluctuations deviennent si fortes qu’elles ‘tuent’ toute possibilité de supraconductivité », a déclaré N. Phuan Ong, professeur de physique Eugene Higgins à l’Université de Princeton et auteur de l’article.

La principale façon dont les fluctuations détruisent la supraconductivité bidimensionnelle est l’émergence spontanée de ce qu’on appelle un vortex quantique (pluriel : vortex).

Chaque vortex ressemble à un minuscule tourbillon composé d’un brin microscopique de champ magnétique piégé dans un courant électronique tourbillonnant. Lorsque l’échantillon est porté au-dessus d’une certaine température, des vortex apparaissent spontanément par paires : vortex et anti-vortex. Leur mouvement rapide détruit l’état supraconducteur.

« Un vortex est comme un tourbillon », a déclaré Ong. « Ce sont des versions quantiques du tourbillon observé lorsque l’on vide une baignoire. »

Les physiciens savent désormais que la supraconductivité dans les films ultraminces existe en dessous d’une certaine température critique connue sous le nom de transition BKT, du nom des physiciens de la matière condensée Vadim Berezinskii, John Kosterlitz et David Thouless. Ces deux derniers ont partagé le prix Nobel de physique en 2016 avec le physicien de Princeton, F. Duncan Haldane, professeur de physique à l’Université Sherman Fairchild.

La théorie BKT est largement considérée comme une description réussie de la façon dont les vortex quantiques prolifèrent dans les supraconducteurs bidimensionnels et détruisent la supraconductivité. La théorie s’applique lorsque la transition supraconductrice est induite par le réchauffement de l’échantillon.

L’expérience actuelle

La question de savoir comment détruire la supraconductivité bidimensionnelle sans augmenter la température est un domaine de recherche actif dans les domaines de la supraconductivité et des transitions de phase. À des températures proches du zéro absolu, une transition quantique est induite par des fluctuations quantiques. Dans ce scénario, la transition est distincte de la transition BKT induite par la température.

Les chercheurs ont commencé avec un cristal massif de ditellurure de tungstène (WTe2), classé comme semi-métal en couches. Les chercheurs ont commencé par convertir le ditellurure de tungstène en un matériau bidimensionnel en exfoliant ou en pelant de plus en plus le matériau jusqu’à l’obtention d’une seule couche mince comme un atome.

À ce niveau de finesse, le matériau se comporte comme un isolant très puissant, ce qui signifie que ses électrons ont un mouvement limité et ne peuvent donc pas conduire l’électricité. Étonnamment, les chercheurs ont découvert que le matériau présente une multitude de nouveaux comportements quantiques, tels que la commutation entre les phases isolante et supraconductrice. Ils ont pu contrôler ce comportement de commutation en créant un dispositif qui fonctionne comme un interrupteur « marche/arrêt ».

Mais ce n’était que la première étape. Les chercheurs ont ensuite soumis le matériau à deux conditions importantes. La première chose qu’ils ont faite a été de refroidir le ditellurure de tungstène à des températures exceptionnellement basses, environ 50 milliKelvin (mK).

Cinquante milliKelvin correspondent à -273,10° Celsius (ou -459,58° Fahrenheit), une température incroyablement basse à laquelle les effets de la mécanique quantique sont dominants.

Les chercheurs ont ensuite converti le matériau isolant en supraconducteur en introduisant des électrons supplémentaires dans le matériau. Il n’a pas fallu beaucoup de tension pour atteindre l’état supraconducteur. « Une infime quantité de tension de grille peut transformer le matériau d’un isolant en un supraconducteur », a déclaré Tiancheng Song, chercheur postdoctoral en physique et auteur principal de l’article. « C’est vraiment un effet remarquable. »

Les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient contrôler avec précision les propriétés de la supraconductivité en ajustant la densité des électrons dans le matériau via la tension de grille. À une densité électronique critique, les vortex quantiques prolifèrent rapidement et détruisent la supraconductivité, provoquant ainsi la transition de phase quantique.

Pour détecter la présence de ces vortex quantiques, les chercheurs ont créé un minuscule gradient de température sur l’échantillon, rendant un côté du ditellurure de tungstène légèrement plus chaud que l’autre. « Les tourbillons recherchent le bord le plus froid », a déclaré Ong. « Dans le gradient de température, tous les vortex de l’échantillon dérivent vers la partie la plus froide, ce que vous avez donc créé est une rivière de vortex s’écoulant de la partie la plus chaude vers la partie la plus froide. »

Le flux de vortex génère un signal de tension détectable dans un supraconducteur. Cela est dû à un effet nommé d’après le physicien Brian Josephson, lauréat du prix Nobel, dont la théorie prédit que chaque fois qu’un flux de vortex traverse une ligne tracée entre deux contacts électriques, ils génèrent une faible tension transversale, qui peut être détectée par un nano-volt. mètre.

« Nous pouvons vérifier qu’il s’agit bien de l’effet Josephson ; si vous inversez le champ magnétique, la tension détectée s’inverse », a déclaré Ong.

« Il s’agit d’une signature très spécifique d’un courant vortex », a ajouté Wu. « La détection directe de ces vortex en mouvement nous donne un outil expérimental pour mesurer les fluctuations quantiques dans l’échantillon, ce qui serait autrement difficile à réaliser. »

Des phénomènes quantiques surprenants

Une fois que les auteurs ont pu mesurer ces fluctuations quantiques, ils ont découvert une série de phénomènes inattendus. La première surprise fut la remarquable robustesse des vortex. L’expérience a démontré que ces vortex persistent à des températures et des champs magnétiques beaucoup plus élevés que prévu. Ils survivent à des températures et des champs bien supérieurs à la phase supraconductrice, dans la phase résistive du matériau.

Une deuxième surprise majeure est que le signal du vortex a brusquement disparu lorsque la densité électronique a été ajustée juste en dessous de la valeur critique à laquelle se produit la transition de phase quantique de l’état supraconducteur. À cette valeur critique de la densité électronique, que les chercheurs appellent le point critique quantique (QCP) qui représente un point à température nulle dans un diagramme de phase, les fluctuations quantiques déterminent la transition de phase.

« Nous nous attendions à voir de fortes fluctuations persister en dessous de la densité électronique critique du côté non supraconducteur, tout comme les fortes fluctuations observées bien au-dessus de la température de transition BKT », a déclaré Wu.

« Pourtant, ce que nous avons découvert, c’est que les signaux du vortex disparaissent ‘soudainement’ dès que la densité électronique critique est franchie. Et ce fut un choc. Nous ne pouvons pas du tout expliquer cette observation – la ‘mort subite’ des fluctuations. »

Ong a ajouté : « En d’autres termes, nous avons découvert un nouveau type de point critique quantique, mais nous ne le comprenons pas. »

Dans le domaine de la physique de la matière condensée, il existe actuellement deux théories établies expliquant les transitions de phase d’un supraconducteur, la théorie de Ginzburg-Landau et la théorie BKT. Cependant, les chercheurs ont constaté qu’aucune de ces théories n’explique les phénomènes observés.

« Nous avons besoin d’une nouvelle théorie pour décrire ce qui se passe dans ce cas », a déclaré Wu, « et c’est quelque chose que nous espérons aborder dans de futurs travaux, à la fois théoriquement et expérimentalement ».