Les paires de Cooper présentent une distribution ondulatoire dans les métaux de Kagome

Une théorie de la supraconductivité proposée par une équipe de physiciens de Würzburg a été validée par une expérience internationale qui a montré que les paires de Cooper présentent une distribution ondulatoire dans les métaux Kagome. Cette découverte ouvrira la voie à de nouvelles applications technologiques telles que les diodes supraconductrices.

Depuis une quinzaine d’années, les matériaux Kagome, dont la structure en forme d’étoile rappelle le motif de la vannerie japonaise, fascinent les chercheurs du monde entier. Ce n’est que depuis 2018 que les scientifiques sont capables de synthétiser en laboratoire des composés métalliques présentant cette structure.

Grâce à leur géométrie cristalline unique, les métaux Kagome combinent des propriétés électroniques, magnétiques et supraconductrices distinctives, ce qui les rend prometteurs pour les futures technologies quantiques.

Le professeur Ronny Thomale du pôle d’excellence Würzburg-Dresde ct.qmat – Complexité et topologie dans la matière quantique, et titulaire de la chaire de physique théorique à l’université de Würzburg (JMU), a fourni des informations clés sur cette classe de matériaux avec ses premières prédictions théoriques.

Des résultats récents publiés dans Nature ils suggèrent que ces matériaux pourraient conduire à de nouveaux composants électroniques, tels que des diodes supraconductrices.

Le supraconducteur de Kagome bouleverse la science

Dans un article publié sur le serveur de pré-impression arXiv Le 16 février 2023, l’équipe du professeur Thomale a proposé qu’un type unique de supraconductivité pourrait se manifester dans les métaux Kagome, avec des paires de Cooper se répartissant de manière ondulatoire dans les sous-réseaux. Chaque « point étoile » contient un nombre différent de paires de Cooper. Cet article a maintenant été publié dans Examen physique B.

La théorie de Thomale a été confirmée pour la première fois par une expérience internationale, provoquant un véritable scandale dans le monde entier. Cette expérience contredit l’hypothèse selon laquelle les métaux de Kagome ne pouvaient contenir que des paires de Cooper uniformément réparties.

Les paires de Cooper, du nom du physicien Leon Cooper, se forment à très basse température par des paires d’électrons et sont essentielles à la supraconductivité. En agissant collectivement, elles peuvent créer un état quantique et peuvent également se déplacer à travers un supraconducteur Kagome sans résistance.

“Au départ, nos recherches sur les métaux Kagome comme le potassium vanadium antimoine (KV₃Sb₅) s’est concentré sur les effets quantiques des électrons individuels, qui, bien que non supraconducteurs, peuvent présenter un comportement ondulatoire dans le matériau”, explique Thomale.

« Après avoir confirmé expérimentalement notre théorie initiale sur le comportement des électrons avec la détection d’ondes de densité de charge il y a deux ans, nous avons essayé de trouver d’autres phénomènes quantiques à des températures ultra-basses. Cela a conduit à la découverte du supraconducteur Kagome. Cependant, la recherche physique mondiale sur les matériaux Kagome en est encore à ses balbutiements », note Thomale.

Transmission du mouvement des ondes

« La physique quantique connaît bien le phénomène des ondes de densité de paires, une forme particulière de condensat supraconducteur. Comme nous le savons tous en cuisinant, lorsque la vapeur refroidit, elle se condense et devient liquide.

« Il se passe quelque chose de similaire dans les métaux Kagome. À des températures ultra-basses autour de –193°C, les électrons se réorganisent et se répartissent en ondes dans le matériau. Cela est connu depuis la découverte des ondes de densité de charge », explique le doctorant Hendrik Hohmann, l’un des principaux contributeurs aux travaux théoriques aux côtés de son collègue Matteo Dürrnagel.

« Lorsque la température descend à –272° (presque le zéro absolu), les électrons se regroupent par paires. Ces paires de Cooper se condensent en un fluide quantique qui se propage également par ondes à travers le matériau, permettant une supraconductivité sans résistance. Cette distribution ondulatoire est donc transmise des électrons aux paires de Cooper. »

Des recherches antérieures sur les métaux de Kagome ont démontré à la fois la supraconductivité et la distribution spatiale des paires de Cooper. La nouvelle découverte surprenante est que ces paires peuvent être distribuées non seulement de manière uniforme, mais aussi selon un modèle ondulatoire au sein des sous-réseaux atomiques, un phénomène appelé « supraconductivité modulée par sous-réseau ».

Dürrnagel ajoute : « La présence d’ondes de densité de paires dans KV₃Sb₅ “La supraconductivité est due en fin de compte à une distribution électronique ondulatoire à des températures supérieures de 80° à la supraconductivité. Cette combinaison d’effets quantiques recèle un potentiel considérable.”

Les chercheurs de ct.qmat sont désormais à la recherche de métaux Kagome dans lesquels les paires de Cooper présentent une modulation spatiale sans ondes de densité de charge apparaissant avant la supraconductivité. Des candidats prometteurs sont déjà à l’étude.

L’effet Josephson, récompensé par le prix Nobel, permet une percée

L’expérience, pionnière dans la détection directe de paires de Cooper distribuées en motifs ondulatoires dans un métal Kagome, a été développée par Jia-Xin Yin de l’Université des sciences et technologies du Sud à Shenzhen, en Chine. Elle a utilisé un microscope à effet tunnel équipé d’une pointe supraconductrice capable d’observer directement les paires de Cooper.

La conception de cette pointe terminée par un seul atome est basée sur l’effet Josephson, récompensé par le prix Nobel. Un courant supraconducteur passe entre la pointe du microscope et l’échantillon, permettant la mesure directe de la distribution des paires de Cooper.

« Les résultats actuels constituent une nouvelle étape vers des dispositifs quantiques à haut rendement énergétique. Bien que ces effets ne soient actuellement observables qu’au niveau atomique, une fois que la supraconductivité de Kagome sera réalisable à l’échelle macroscopique, de nouveaux composants supraconducteurs deviendront réalisables. Et c’est ce qui motive notre recherche fondamentale », déclare le professeur Thomale.

Perspectives

Alors que le plus long câble supraconducteur du monde vient d’être installé à Munich, des recherches intensives sont toujours menées sur les composants électroniques supraconducteurs. Les premières diodes supraconductrices ont déjà été développées en laboratoire, mais elles reposent sur une combinaison de différents matériaux supraconducteurs.

En revanche, les supraconducteurs uniques de Kagome, avec leur modulation spatiale inhérente des paires de Cooper, agissent eux-mêmes comme des diodes, offrant des possibilités intéressantes pour l’électronique supraconductrice et les circuits sans perte.