Un nouvel aperçu de la supraconductivité non conventionnelle —

Le motif kagome, un réseau de triangles partageant des coins, est bien connu des vanniers japonais traditionnels – et des physiciens de la matière condensée. La géométrie inhabituelle des atomes métalliques dans le réseau kagome et le comportement électronique qui en résulte en font un terrain de jeu pour sonder des phénomènes quantiques étranges et merveilleux qui constituent la base de la recherche sur les dispositifs de nouvelle génération.

Un exemple clé est la supraconductivité non conventionnelle, telle que la haute température, qui ne suit pas les lois conventionnelles de la supraconductivité. La plupart des matériaux supraconducteurs présentent leur propriété apparemment magique de résistance nulle à quelques degrés Kelvin : des températures qui sont tout simplement impraticables pour la plupart des applications. Les matériaux qui présentent une supraconductivité dite “à haute température”, à des températures pouvant être atteintes avec un refroidissement à l’azote liquide (ou même à température ambiante), sont une perspective alléchante. Trouver et synthétiser de nouveaux matériaux qui présentent une supraconductivité non conventionnelle est devenu le Saint Graal du physicien de la matière condensée – mais y parvenir implique une compréhension plus profonde du comportement électronique topologique exotique des matériaux.

Un type exotique de comportement de transport d’électrons qui se traduit par un flux de charge spontané dans des boucles a longtemps été débattu comme précurseur de la supraconductivité à haute température et comme mécanisme à l’origine d’un autre phénomène mystérieux : l’effet Hall anormal quantique. Cet effet topologique, sujet des travaux lauréats du prix Nobel 2016 de F. Duncan M. Haldane, se produit dans certains matériaux électroniques bidimensionnels et concerne la génération d’un courant même en l’absence d’un champ magnétique appliqué. Comprendre l’effet Hall anormal quantique est important non seulement pour la physique fondamentale, mais aussi pour les applications potentielles dans les nouveaux appareils et appareils électroniques. Aujourd’hui, une collaboration internationale dirigée par le PSI a découvert des preuves solides à l’appui de ce comportement insaisissable de transport d’électrons.

Ordonnancement des charges brisant la symétrie par inversion du temps dans le supraconducteur kagome KV₃qn₅

L’équipe, dirigée par des chercheurs du Laboratoire de spectroscopie de spin muon du PSI, a découvert de faibles champs magnétiques internes indiquant un ordre de charge exotique dans un supraconducteur kagome corrélé. Ces champs magnétiques brisent ce qu’on appelle la symétrie d’inversion du temps, un type de symétrie qui signifie que les lois de la physique sont les mêmes, que vous regardiez un système qui avance ou recule dans le temps.

Une explication naturelle de l’apparition de champs de rupture de symétrie d’inversion temporelle est un nouveau type d’ordre de charge. L’ordre de charge peut être compris comme une modulation périodique de la densité électronique à travers le réseau et un réarrangement des atomes dans une structure d’ordre supérieur (super-réseau). L’équipe a concentré son étude sur le réseau kagome, KV₃qn₅, qui supraconduit en dessous de 2,5 Kelvin. En dessous d’une température critique plus élevée d’environ 80 Kelvin, un effet Hall anormal quantique géant est observé dans le matériau, qui était auparavant inexpliqué. L’ordre de charge exotique apparaît en dessous de cette température critique d’environ 80 Kelvin, appelée «température d’ordre de charge».

Les champs de rupture de symétrie d’inversion temporelle découverts impliquent un type exotique d’ordre de charge où les courants se déplacent autour des cellules unitaires du réseau de Kagome, appelés courants orbitaux. Ceux-ci produisent un magnétisme dominé par le mouvement orbital étendu des électrons dans un réseau d’atomes.

“La réalisation expérimentale de ce phénomène est exceptionnellement difficile, car les matériaux présentant des courants orbitaux sont rares et les signaux caractéristiques [of orbital currents] sont souvent trop faibles pour être détectées », explique l’auteur correspondant, Zurab Guguchia, du Laboratoire de spectroscopie de spin muon au PSI, qui dirigeait l’équipe.

Bien que des études antérieures aient montré la rupture de la symétrie d’inversion temporelle en dessous de la température supraconductrice, il s’agit du premier exemple dans lequel la symétrie d’inversion temporelle est rompue par l’ordre de charge. Cela signifie que cet ordre de charge exotique putatif se classe comme une nouvelle phase quantique de la matière.

Une preuve extrêmement convaincante

Pour rechercher les courants orbitaux longtemps contestés, les physiciens ont utilisé une spectroscopie de rotation/relaxation de spin muon (µSR) très sensible pour détecter les signaux magnétiques faibles et révélateurs qu’ils généreraient. Les muons implantés dans l’échantillon servent de sonde magnétique locale et très sensible au champ interne du matériau, permettant des champs magnétiques aussi petits que 0,001 µ_Bohr à détecter. En présence d’un champ magnétique interne, le spin du muon se dépolarise. Les muons se désintègrent en positrons énergétiques, qui sont émis dans la direction du spin du muon, emportant avec eux des informations sur la polarisation du spin du muon dans l’environnement local.

Les chercheurs ont observé comment, à mesure que la température descendait en dessous de 80K, la température de commande de charge, un décalage systématique du signal magnétique apparaissait. En utilisant l’installation µSR la plus avancée au monde au PSI, qui permet l’application de champs jusqu’à 9,5 Tesla, l’équipe a pu utiliser un champ magnétique externe élevé pour améliorer le déplacement des minuscules champs magnétiques internes et fournir des preuves encore plus solides que le champ magnétique était dû aux courants orbitaux internes.

“Nous avons d’abord réalisé l’expérience sans champ externe”, explique le Dr Guguchia, “et lorsque nous avons vu le décalage systématique apparaître en dessous de la température de commande de charge, nous nous sommes sentis très motivés pour continuer. Mais lorsque nous avons ensuite appliqué le champ élevé et pu favoriser cette réponse électronique, nous étions ravis. C’est une preuve très, très convaincante de quelque chose qui est resté longtemps insaisissable.

Une meilleure compréhension de la supraconductivité non conventionnelle et de l’effet Hall anormal quantique

La recherche fournit sans doute la preuve la plus solide à ce jour que des courants orbitaux longtemps débattus existent réellement dans le matériau kagome KV₃qn₅. La théorie suggère que l’effet Hall anormal quantique provient des courants orbitaux. Par conséquent, des courants orbitaux ont été proposés dans un certain nombre de supraconducteurs non conventionnels qui présentent un effet Hall anormal quantique étrangement grand ; à savoir le graphène, les cuprates et les réseaux de kagome, mais les preuves réelles de leur existence manquaient jusqu’à présent.

La découverte de champs de rupture de symétrie par inversion du temps, qui impliquent des courants orbitaux – et l’ordre de charge particulier qui leur donne naissance, ouvre les portes à des voies exotiques de physique et de recherche sur les dispositifs de nouvelle génération. Les courants orbitaux sont considérés comme jouant un rôle fondamental dans le mécanisme de divers phénomènes de transport non conventionnels, notamment la supraconductivité à haute température, avec des applications allant de la transmission de puissance aux trains MAGLEV. Le concept de courants orbitaux constitue également la base de l’orbitronique – un domaine qui exploite le degré de liberté orbital en tant que support d’informations dans les dispositifs à semi-conducteurs.

Ce travail a été réalisé en collaboration avec le groupe de Zahid Hasan de l’Université de Princeton, dans lequel Guguchia est chercheur invité, et avec d’autres collègues de l’Institut de physique de l’Université de Zürich, de l’Institut de physique de l’Académie chinoise des sciences, du Songshan Lake Materials Laboratory à Chine, Université Renmin de Chine, Université Rice, Laboratoire national d’Oak Ridge, Université de Würzburg et Max-Planck-Institut für Festkörperforschung.