Les paires de porteurs de charge dans les composés cuprates mettent en lumière la supraconductivité à haute température

La supraconductivité à haute température n’est pas encore entièrement comprise. Aujourd’hui, une équipe de recherche internationale de BESSY II a mesuré l’énergie des paires de porteurs de charge dans La₂CuO₄ non dopé. Leurs résultats ont révélé que les énergies d’interaction au sein des couches d’oxyde de cuivre potentiellement supraconductrices sont nettement inférieures à celles des couches isolantes d’oxyde de lanthane. Ces résultats contribuent à une meilleure compréhension de la supraconductivité à haute température et pourraient également être pertinents pour la recherche sur d’autres matériaux fonctionnels.

La recherche est publiée dans la revue Communications naturelles.

Il y a environ 40 ans, une nouvelle classe de matériaux est soudainement devenue célèbre : les supraconducteurs à haute température. Ces matériaux peuvent conduire l’électricité sans aucune perte, non seulement à des températures proches du zéro absolu (0 Kelvin ou moins 273 degrés Celsius), mais également à des températures beaucoup plus élevées, bien que bien en dessous de la température ambiante.

De tels matériaux sont déjà utilisés en technologie. Cependant, le phénomène n’est pas encore entièrement compris. Cependant, le rôle des interactions spécifiques entre les porteurs de charge, qui garantissent leur glissement fluide à travers le réseau cristallin dans certaines conditions, est bien établi.

Aujourd’hui, une équipe internationale dirigée par le professeur Alexander Föhlisch de BESSY II a mesuré avec précision l’énergie des paires de porteurs de charge sur les atomes d’oxygène dans le cadre d’une expérience. Les échantillons de l’Université de Rome étaient constitués de couches alternées d’oxyde de cuivre et d’oxyde de lanthane, de formule moléculaire La.₂CuO₄.

Lorsque ce composé est dopé avec des atomes étrangers, il peut devenir supraconducteur en dessous de 40 Kelvin, la supraconductivité se produisant dans les couches de CuO tandis que les couches de LaO restent isolantes. On suppose que les électrons manquants autour des atomes d’oxygène, appelés trous d’oxygène, jouent un rôle central dans la supraconductivité. Les mesures ont été effectuées sur du La non dopé₂CuO₄ à température ambiante.

“Nous voulions découvrir quelle est la force des interactions entre les porteurs de charge dans les deux couches d’oxyde différentes et comment elles diffèrent”, explique le premier auteur, le Dr Danilo Kühn, premier auteur de l’étude, qui a effectué les mesures à BESSY II dans le cadre du laboratoire commun Uppsala-Berlin.

Pour l’expérience, l’équipe a utilisé des spectromètres à temps de vol avec une configuration unique pour détecter les paires d’électrons à l’aide de la spectroscopie de coïncidence photoélectronique Auger. Des impulsions spéciales de rayons X (impulsions PPRE) ont frappé l’échantillon à des intervalles de plusieurs centaines de nanosecondes, laissant suffisamment de temps pour mesurer soigneusement les processus d’interaction qui se produisent des millions de fois plus rapidement.

“Notre méthode nous a permis d’analyser ces interactions précisément parce que nous observons sélectivement la couche d’oxyde de cuivre concernée”, explique Kühn. Les énergies d’interaction étaient significativement plus faibles dans la couche d’oxyde de cuivre – centrale à la supraconductivité – que dans les couches isolantes d’oxyde de lanthane.

“Ces résultats nous aident à mieux comprendre les mécanismes de la supraconductivité à haute température”, explique Alexander Föhlisch, et ajoute : “Cette technique de mesure peut également fournir des informations sur d’autres matériaux fonctionnels.”