Les physiciens de RIKEN ont découvert une plateforme idéale pour étudier le comportement des électrons dans un matériau à l’approche de la supraconductivité. Cette découverte pourrait aider à développer de nouveaux supraconducteurs qui fonctionnent à des températures plus pratiques que celles existantes.
Les supraconducteurs transportent le courant électrique sans aucune résistance, et sont utilisés dans des électroaimants puissants et des capteurs magnétiques, par exemple. La supraconductivité ne se produit généralement qu’à basse température, d’où la recherche de supraconducteurs à haute température qui pourraient ouvrir un éventail beaucoup plus large d’applications. L’objectif ultime est de trouver des matériaux qui deviennent supraconducteurs à température ambiante.
La supraconductivité dans les supraconducteurs dits conventionnels se produit lorsque les électrons se regroupent. Ce regroupement empêche les électrons de se disperser lorsqu’ils circulent à travers un matériau.
La phase nématique et la supraconductivité
Certains matériaux, lorsqu’ils approchent de cet état supraconducteur, entrent dans une phase dite ‘nématique’ dans laquelle les électrons s’alignent en bandes. « La nématique est considérée comme étant étroitement liée à la supraconductivité », explique encore le scientifique du RIKEN SPring-8 Center. « Cependant, le lien précis entre la nématique et la supraconductivité n’est pas entièrement compris. »
Pour explorer cette relation, Yuya Kubota et ses collègues se sont tournés vers un matériau appelé séléniure de fer, qui ne devient supraconducteur qu’à la très basse température de -265 degrés Celsius – soit seulement 8 degrés au-dessus du zéro absolu. Mais la supraconductivité à des températures plus élevées peut être obtenue en appliquant une pression ou en modifiant la composition chimique du matériau, ce qui pourrait indiquer des stratégies plus générales pour créer des supraconducteurs à haute température.
Le séléniure de fer et la phase nématique
Le séléniure de fer entre dans sa phase nématique à environ -183 degrés Celsius. Dans cette phase, l’arrangement des atomes dans le réseau cristallin du matériau change et certains électrons peuvent adopter différents états d’énergie. Les chercheurs ont longtemps débattu de l’importance relative de ces facteurs structurels et électroniques pour la conduite de la nématique.
L’équipe de Yuya Kubota a maintenant trouvé une réponse. Ils ont étudié un film ultra-mince de séléniure de fer sur une base d’aluminate de lanthane, qui a supprimé le changement structurel lors de la transition vers la phase nématique.
Les chercheurs ont repéré tous les signes électroniques d’une transition vers la phase nématique, même si la structure du réseau est restée la même. Cela suggère que la phase nématique provient uniquement des changements dans les états d’énergie de certains électrons.
En synthèse
Les chercheurs anticipent que leur matériau en film mince leur permettra d’explorer le comportement des électrons dans la phase nématique, sans le facteur compliquant de toute modification structurelle accompagnante.
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« Cela pourrait nous aider à obtenir une compréhension plus profonde de la relation entre la nématique et la supraconductivité, et du mécanisme de la supraconductivité », conclut Yuya Kubota. « Et cela, à son tour, pourrait accélérer la recherche vers des supraconducteurs à température ambiante. »
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que la supraconductivité ?
La supraconductivité est un état dans lequel un matériau peut transporter un courant électrique sans résistance.
Qu’est-ce que la phase nématique ?
La phase nématique est un état dans lequel les électrons s’alignent en bandes dans un matériau.
Qu’est-ce que le séléniure de fer ?
Le séléniure de fer est un matériau qui devient supraconducteur à très basse température.
Quel est le lien entre la phase nématique et la supraconductivité ?
La phase nématique est considérée comme étant étroitement liée à la supraconductivité, mais le lien précis n’est pas entièrement compris.
Quelle est la prochaine étape dans la recherche sur la supraconductivité ?
La prochaine étape est d’explorer le comportement des électrons dans la phase nématique sans modifications structurelles accompagnantes.
Références
Kubota, Y., Nabeshima, F., Nakayama, K., Ohsumi, H., Tanaka, Y., Tamasaku, K., Suzuki, T., Okazaki, K., Sato, T., Maeda, A. et al. Pure nematic state in the iron-based superconductor FeSe. Physical Review B 108, L100501 (2023). doi: 10.1103/PhysRevB.108.L100501
