Première preuve expérimentale d'un couplage d'électrons "sélectif orbitaire" dans un supraconducteur à haute température à base de fer – ScienceDaily


Une équipe de scientifiques a trouvé des preuves d'un nouveau type d'appariement d'électrons qui pourrait élargir la recherche de nouveaux Supraconducteurs à haute température. Les résultats, décrits dans le journal Science, fournissent la base d'une description unifiée de la façon dont les matériaux «parents» radicalement différents – composés isolants à base de cuivre et composés métalliques à base de fer – peuvent développer la capacité de transporter le courant électrique sans résistance À des températures exceptionnellement élevées.

Selon les scientifiques, les caractéristiques électroniques dissemblables des matériaux représentent réellement la clé de la cohérence.

"Les scientifiques ont pensé que parce que le point de départ de la supraconductivité dans ces deux classes de matériaux est tellement différent, vous avez besoin de différentes approches théoriques pour les décrire", a déclaré JC Séamus Davis, un physicien du département américain de l'Énergie (DOE) Brookhaven National Laboratory et Cornell University, qui a dirigé l'équipe de scientifiques expérimentaux. "Au lieu de cela, nous avons été motivés à explorer ce qui est universel à propos de ces deux systèmes. Idéalement, il ne devrait y avoir qu'une seule explication."

Les scientifiques ont généralement compris que le mécanisme de la supraconductivité dans les composés d'oxyde de cuivre dépend de la capacité des électrons sur les atomes de cuivre adjacents à s'accoupler. Chaque atome de cuivre a un électron unique, non apparié dans sa coque d'énergie extérieure, ou son orbital. Alors que les électrons les plus extérieurs sur les atomes de cuivre adjacents interagissent fortement avec eux, ils restent ordinairement verrouillés en place, bloqués dans un "embouteillage mécanique quantique" avec nulle part ailleurs, a déclaré Davis. Sans électrons en mouvement, le matériau agit comme un isolant électrique "fortement corrélé".

L'élimination de certains des électrons qui résident sur les atomes de cuivre entraîne des pertes d'électrons connues sous le nom de trous. Cela atténue le freinage quantique de sorte que, lorsque le matériau est refroidi à une certaine température, des électrons alignés de manière opposée (partenaires magnétiques où le "spin" d'un électron pointe vers le haut et le point adjacent vers le bas) forment des paires et ensuite deviennent libres de zip À travers le matériau sans entrave – un supraconducteur.

Les atomes de fer, qui ont un noyau avec une charge positive plus petite que le cuivre, exercent moins de traction sur les électrons circulants. Donc, au lieu de remplir les orbitales d'électrons, les électrons dans plusieurs orbitales d'énergie externe restent non appariés, mais alignés les uns avec les autres et actifs électroniquement. L'alignement des électrons non appariés dans des orbitales multiples donne un fer simple, ses propriétés magnétiques et métalliques fortes, de sorte qu'il est facile de voir pourquoi les composés de fer seraient de bons conducteurs. Mais il n'est pas vraiment clair comment ils pourraient devenir des supraconducteurs à résistance nulle à des températures élevées sans les fortes interactions qui créent un état isolant corrélé dans les matériaux à base de cuivre.

Pour remédier à cette énigme, les physiciens théoriques ont commencé à envisager la possibilité que les électrons non appariés dans les différentes orbitales du fer puissent jouer un rôle très différent. Peut-être que les électrons non appariés dans un orbital particulier pourraient s'associer avec des électrons dans le même orbite sur un atome adjacent pour transporter le supercurrent, tandis que les électrons dans les autres orbitales fournissent les propriétés isolantes, magnétiques et métalliques.

"Le défi est de trouver un moyen de voir que certains des électrons sont supraconducteurs et certains isolent dans le même cristal", a déclaré Davis.

La recherche publiée dans Science fournit la première preuve directe qu'un tel couplage d'électrons "sélectif orbitale" a lieu.

L'équipe théorique de ce projet – Andreas Kreisel (Université de Leipzig), Peter Hirschfeld (Université de Floride) et Brian Anderson (Université de Copenhague) – ont défini les signatures électroniques qui devraient être associées à chaque orbite sur les atomes de fer . Ensuite, les expérimentateurs Peter Sprau et Andrey Kostin (à la fois Brookhaven Lab et Cornell) ont utilisé un microscope à tunnel à balayage au Center for Emergent Superconductivity, un centre de recherche de DOE Energy Frontier à Brookhaven Lab, pour mesurer l'énergie et l'élan des électrons dans le séléniure de fer Des échantillons synthétisés par Anna Bohmer et Paul Canfield au Laboratoire Ames de DOE. La comparaison des mesures avec les signatures électroniques prédites permettait aux scientifiques d'identifier les électrons associés à chaque orbite.

Avec cette information, «Nous pouvons mesurer l'énergie de liaison et l'élan des électrons dans les« paires de Cooper »responsables de la supraconductivité et d'identifier les caractéristiques de l'énergie momentum dont elles ont un orbite, a déclaré Davis.

"Nous avons pu montrer que presque tous les électrons dans les paires Cooper dans le séléniure de fer proviennent d'un orbital énergétique particulier (l'orbital d_yz)", a déclaré Davis. Les résultats impliquent également que l'électron dans l'orbite extrême du fer dans le séléniure de fer présente des propriétés pratiquement isolantes, tout comme il l'est dans les composés d'oxyde de cuivre.

"Parce que le séléniure de fer présente normalement une bonne conductivité métallique, comment sait-on jamais que les électrons de cet orbital agissent comme étant dans des isolateurs corrélés? Cet état fortement interagissant et pratiquement isolant se cachait à la vue! Il a dit.

Avec cet état isolant orbitaire externe, le composé de fer a toutes les mêmes exigences pour la supraconductivité que les oxydes de cuivre, une forte interaction magnétique (couplage ascendant / descendant) des électrons quasi localisés et un état métallique qui les permet Paires pour se déplacer. La grande différence est que dans le séléniure de fer, ces contributions proviennent d'électrons différents dans trois orbitales actives distinctes, au lieu de l'électron unique dans un orbite actif en cuivre.

"En fer, vous avez la conductivité gratuitement. Et vous avez le magnétisme gratuitement, mais il est basé sur un électron différent. Les deux coexistent dans le même atome", a déclaré Davis. Donc, une fois que vous avez des paires de Cooper, il semble qu'il n'y ait pas besoin d'ajouter des trous pour obtenir le flux actuel.

Cette réalisation peut élargir la recherche de nouveaux supraconducteurs susceptibles d'opérer dans des conditions plus chaudes. De tels supraconducteurs à haute température plus élevés seraient plus pratiques pour le monde réel, des applications économes en énergie telles que les lignes électriques ou les dispositifs de stockage d'énergie.

"Au lieu de rechercher de nouveaux isolateurs antiferromagnétiques à un seul électron comme l'oxyde de cuivre pour fabriquer des supraconducteurs à haute température, peut-être devrions-nous rechercher de nouveaux matériaux métalliques hautement magnétiques ayant des propriétés comme le fer mais dans un arrangement sélectif orbital" Davis m'a dit. "Cela ouvre le monde de la science des matériaux à de nombreux nouveaux types de matériaux qui pourraient être des supraconducteurs à haute température".

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