Le magnétisme aide les électrons à disparaître dans les supraconducteurs à haute température

Physique de la nature (2022). DOI : 10.1038 / s41567-022-01514-1″ width=”670″ height=”450″/>

La surface de Fermi sur la gauche montre la disposition des électrons dans un supraconducteur à haute température d’oxyde de cuivre avant le “point critique”. Après le point critique, la surface de Fermi à droite montre que la plupart des électrons disparaissent. Les recherches du laboratoire de Brad Ramshaw relient cette disparition au magnétisme. Crédit: Physique naturelle (2022). DOI : 10.1038 / s41567-022-01514-1

Selon le physicien Brad Ramshaw, les supraconducteurs – des métaux dans lesquels l’électricité circule sans résistance – sont prometteurs en tant que matériau déterminant du futur proche et sont déjà utilisés dans les machines d’imagerie médicale, la recherche sur la découverte de médicaments et les ordinateurs quantiques construits par Google et IBM.

Cependant, les températures extrêmement basses dont les supraconducteurs conventionnels ont besoin pour fonctionner – quelques degrés au-dessus du zéro absolu – les rendent trop chers pour une utilisation à grande échelle.

Dans leur quête pour trouver des supraconducteurs plus utiles, Ramshaw, professeur adjoint de physique Dick & Dale Reis Johnson au Collège des arts et des sciences (A&S), et ses collègues ont découvert que le magnétisme est essentiel pour comprendre le comportement des électrons dans les ” hautes – température “supraconducteurs. Avec cette découverte, ils ont résolu un mystère vieux de 30 ans entourant cette classe de supraconducteurs, qui fonctionnent à des températures beaucoup plus élevées, supérieures à 100 degrés au-dessus du zéro absolu. Leur article, “Fermi Surface Transformation at the Pseudogap Critical Point of a Cuprate Superconductor”, publié dans Physique naturelle 10 mars.

“Nous aimerions comprendre ce qui fait fonctionner ces supraconducteurs à haute température et intégrer cette propriété dans un autre matériau plus facile à adopter dans les technologies”, a déclaré Ramshaw.

Un mystère central des supraconducteurs à haute température est ce qui se passe avec leurs électrons, a déclaré Ramshaw.

“Tous les métaux ont des électrons, et lorsqu’un métal devient un supraconducteur, les électrons s’apparient les uns aux autres”, a-t-il déclaré. “Nous mesurons quelque chose appelé la” surface de Fermi “, que vous pouvez considérer comme une carte montrant où se trouvent tous les électrons dans un métal.”

Pour étudier comment les électrons s’apparient dans les supraconducteurs à haute température, les chercheurs modifient en permanence le nombre d’électrons grâce à un processus appelé dopage chimique. Dans les supraconducteurs à haute température, à un certain “point critique”, les électrons semblent disparaître de la carte de la surface de Fermi, a déclaré Ramshaw.

Les chercheurs se sont concentrés sur ce point critique pour comprendre ce qui fait disparaître les électrons et où ils vont. Ils ont utilisé l’aimant en régime permanent le plus puissant au monde, l’aimant hybride de 45 tesla du National High Magnetic Field Laboratory de Tallahassee, en Floride, pour mesurer la surface de Fermi d’un supraconducteur d’oxyde de cuivre à haute température en fonction de la concentration d’électrons. , juste autour du point critique.

Ils ont découvert que la surface de Fermi change complètement lorsque les chercheurs dépassent le point critique.

“C’est comme si vous regardiez une vraie carte et que tout d’un coup la plupart des continents ont disparu”, a déclaré Ramshaw. “C’est ce que nous avons découvert qui arrive à la surface de Fermi des supraconducteurs à haute température au point critique – la plupart des électrons dans une région particulière, une partie particulière de la carte, disparaissent.”

Il était important pour les chercheurs de noter non seulement que les électrons disparaissaient, mais lesquels en particulier, a déclaré Ramshaw.

Ils ont construit différents modèles de simulation basés sur plusieurs théories et ont testé s’ils pouvaient expliquer les données, a déclaré Yawen Fang, doctorant en physique et auteur principal de l’article.

“Au final, nous avons un modèle gagnant, qui est celui associé au magnétisme”, a déclaré Fang. “Nous passons avec confiance du côté bien compris du matériau, en comparant notre technique, au côté mystérieux au-delà du point critique.”

Maintenant qu’ils savent quels électrons disparaissent, les chercheurs ont une idée de la raison – cela a à voir avec le magnétisme.

“Il y a toujours eu des indices que le magnétisme et la supraconductivité sont liés aux supraconducteurs à haute température, et nos travaux montrent que ce magnétisme semble apparaître juste au point critique et engloutir la plupart des électrons”, a déclaré Ramshaw. “Ce point critique marque également la concentration d’électrons où la supraconductivité se produit aux températures les plus élevées, et les supraconducteurs à plus haute température sont l’objectif ici.”

Savoir que le point critique est associé au magnétisme permet de comprendre pourquoi ces supraconducteurs particuliers ont des températures de transition aussi élevées, a déclaré Ramshaw, et peut-être même où chercher pour en trouver de nouveaux avec des températures de transition encore plus élevées.

“C’est un débat vieux de 30 ans qui précède notre étude, et nous avons trouvé une réponse simple”, a déclaré Gaël Grissonnanche, boursier postdoctoral à l’Institut Kavli de Cornell pour la science à l’échelle nanométrique et co-premier auteur.


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Plus d’information:
Brad Ramshaw, Transformation de la surface de Fermi au point critique du pseudogap d’un supraconducteur cuprate, Physique naturelle (2022). DOI : 10.1038 / s41567-022-01514-1. www.nature.com/articles/s41567-022-01514-1

Fourni par l’Université Cornell

Citation: Le magnétisme aide les électrons à disparaître dans les supraconducteurs à haute température (10 mars 2022) récupéré le 16 mars 2022 sur https://phys.org/news/2022-03-magnetism-electrons-high-temp-superconductors.html

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