Des physiciens du MIT ont dévoilé une nouvelle compréhension de la manière dont certains supraconducteurs passent à l’état supraconducteur, offrant de nouvelles perspectives qui pourraient aider à améliorer les supraconducteurs existants et à en découvrir de nouveaux.
Des chercheurs du MIT ont découvert un nouveau mécanisme par lequel le séléniure de fer supraconducteur passe à l’état supraconducteur. Contrairement aux autres supraconducteurs à base de fer, la transition du séléniure de fer implique un changement collectif de l’énergie orbitale des atomes, et non des spins atomiques. Cette avancée ouvre de nouvelles perspectives pour la découverte de supraconducteurs non conventionnels.
Dans certaines conditions, généralement très froides, certains matériaux modifient leur structure pour adopter un nouveau comportement supraconducteur. Ce changement structurel est connu sous le nom de « transition nématique » et les physiciens pensent qu’il offre un nouveau moyen d’amener les matériaux dans un état supraconducteur où les électrons peuvent circuler sans aucun frottement.
Mais qu’est-ce qui provoque exactement cette transition ? La réponse pourrait aider les scientifiques à améliorer les supraconducteurs existants et à en découvrir de nouveaux.
Des physiciens du MIT ont identifié la clé de la transition nématique d’une classe de supraconducteurs, et cela contraste étonnamment avec ce que de nombreux scientifiques avaient supposé.
Les physiciens ont fait leur découverte en étudiant le séléniure de fer (FeSe), un matériau bidimensionnel qui est le supraconducteur à base de fer à la température la plus élevée. On sait que ce matériau passe à l’état supraconducteur à des températures atteignant 70 kelvins (près de -300 degrés Fahrenheit). Bien qu’elle soit encore très froide, cette température de transition est plus élevée que celle de la plupart des matériaux supraconducteurs.
Lorsque certains matériaux ultraminces subissent une « transition nématique », la structure de leur réseau atomique s’étire de manière à débloquer la supraconductivité (comme le montre cette image conceptuelle). Les physiciens du MIT ont identifié comment cette transition nématique essentielle se produit dans une classe de supraconducteurs. Crédit : iStock
Plus la température à laquelle un matériau peut présenter une supraconductivité est élevée, plus son utilisation dans le monde réel est prometteuse, par exemple pour réaliser de puissants électro-aimants destinés à des machines IRM plus précises et plus légères ou à des trains à grande vitesse à lévitation magnétique.
Pour ces possibilités et d’autres encore, les scientifiques devront d’abord comprendre ce qui entraîne un commutateur nématique dans les supraconducteurs à haute température tels que le séléniure de fer. Dans d’autres matériaux supraconducteurs à base de fer, les scientifiques ont observé que cette commutation se produit lorsque des atomes individuels déplacent soudainement leur spin magnétique vers une direction magnétique coordonnée et préférée.
Mais l’équipe du MIT a découvert que le séléniure de fer se modifie selon un mécanisme entièrement nouveau. Plutôt que de subir un changement coordonné de spin, les atomes du séléniure de fer subissent un changement collectif de leur énergie orbitale. Il s’agit d’une distinction subtile, mais qui ouvre une nouvelle voie vers la découverte de supraconducteurs non conventionnels.
« Notre étude remet quelque peu en question le consensus qui s’est dégagé sur les causes de la nématicité », explique Riccardo Comin, professeur associé de physique au MIT pour la promotion 1947. « Il existe de nombreuses voies d’accès à la supraconductivité non conventionnelle. Ceci offre une voie supplémentaire pour réaliser des états supraconducteurs ».
Comin et ses collègues ont publié leurs résultats le 22 juin dans une étude parue dans la revue Nature Materials. Les co-auteurs au MIT sont Connor Occhialini, Shua Sanchez et Qian Song, ainsi que Gilberto Fabbris, Yongseong Choi, Jong-Woo Kim et Philip Ryan au Laboratoire national d’Argonne.
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Suivre le fil
Le mot « nématicité » vient du mot grec « nema », qui signifie « fil », par exemple pour décrire le corps filiforme du ver nématode. La nématique est également utilisée pour décrire des fils conceptuels, tels que des phénomènes physiques coordonnés. Par exemple, dans l’étude des cristaux liquides, le comportement nématique peut être observé lorsque les molécules s’assemblent en lignes coordonnées.
Ces dernières années, les physiciens ont utilisé la nématicité pour décrire un changement coordonné qui fait passer un matériau à l’état supraconducteur. De fortes interactions entre les électrons provoquent l’étirement infinitésimal du matériau dans son ensemble, comme une caresse microscopique, dans une direction particulière qui permet aux électrons de circuler librement dans cette direction. La grande question est de savoir quel type d’interaction est à l’origine de cet étirement. Dans certains matériaux à base de fer, cet étirement semble être provoqué par des atomes qui déplacent spontanément leurs spins magnétiques dans la même direction. Les scientifiques ont donc supposé que la plupart des supraconducteurs à base de fer effectuaient la même transition, guidée par le spin.
Mais le séléniure de fer semble aller à l’encontre de cette tendance. Ce matériau, qui passe à l’état supraconducteur à la température la plus élevée de tous les matériaux à base de fer, semble également dépourvu de tout comportement magnétique coordonné.
« Le séléniure de fer a l’histoire la moins claire de tous ces matériaux », déclare Sanchez, qui est postdoc au MIT et boursier MPS-Ascend de la NSF. « Dans ce cas, il n’y a pas d’ordre magnétique. Pour comprendre l’origine de la nématicité, il faut donc examiner très attentivement la façon dont les électrons s’organisent autour des atomes de fer et ce qui se passe lorsque ces atomes s’écartent les uns des autres. »
Un super continuum
Dans leur nouvelle étude, les chercheurs ont travaillé avec des échantillons de séléniure de fer ultrafins et longs d’un millimètre, qu’ils ont collés à une fine bande de titane. Ils ont imité l’étirement structurel qui se produit lors d’une transition nématique en étirant physiquement la bande de titane, ce qui a eu pour effet d’étirer les échantillons de séléniure de fer. En étirant les échantillons d’une fraction de micron à la fois, ils ont recherché les propriétés qui se modifiaient de manière coordonnée.
À l’aide de rayons X ultraviolets, l’équipe a suivi les mouvements des atomes de chaque échantillon, ainsi que le comportement des électrons de chaque atome. À partir d’un certain point, ils ont observé un déplacement précis et coordonné des orbitales des atomes. Les orbitales atomiques sont essentiellement des niveaux d’énergie que les électrons d’un atome peuvent occuper. Dans le séléniure de fer, les électrons peuvent occuper l’un des deux états orbitaux autour d’un atome de fer. Normalement, le choix de l’état à occuper est aléatoire. Mais l’équipe a constaté qu’en étirant le séléniure de fer, ses électrons commençaient à préférer massivement un état orbital à l’autre. Cela indique un changement clair et coordonné, ainsi qu’un nouveau mécanisme de nématicité et de supraconductivité.
« Ce que nous avons montré, c’est que la physique sous-jacente est différente selon qu’il s’agit de la nématicité de spin ou de la nématicité orbitale, et qu’il y aura un continuum de matériaux qui se situent entre les deux », explique Occhialini, étudiant diplômé du MIT. « Il sera important de comprendre où l’on se situe dans ce continuum pour trouver de nouveaux supraconducteurs ».
Référence : « Spontaneous orbital polarization in the nematic phase of FeSe » par Connor A. Occhialini, Joshua J. Sanchez, Qian Song, Gilberto Fabbris, Yongseong Choi, Jong-Woo Kim, Philip J. Ryan et Riccardo Comin, 22 juin 2023, Nature Materials.
DOI: 10.1038/s41563-023-01585-2
Cette recherche a été soutenue par le ministère de l’énergie, le bureau de la recherche scientifique de l’armée de l’air et la National Science Foundation.