Un simulateur quantique permet la première observation microscopique de l'appariement de porteurs de charge
Les résultats de la recherche pourraient être la clé de la compréhension des supraconducteurs à haute température
Une équipe de chercheurs du MPQ a pour la première fois observé dans une expérience comment des trous (porteurs de charges positives) dans un modèle à l'état solide se combinent pour former des paires. Ce processus pourrait jouer un rôle important dans la compréhension de la supraconductivité à haute température.
Représentation artistique d'une paire de trous causés par le fond magnétique du système.
Christoph Hohmann, MPQ
À l'aide d'un simulateur quantique, des chercheurs de l'Institut Max Planck d'optique quantique (MPQ) ont observé des paires de porteurs de charge qui pourraient être responsables du transport sans résistance du courant électrique dans les supraconducteurs à haute température. Jusqu'à présent, les mécanismes physiques exacts dans ces matériaux complexes sont encore largement inconnus. Les théories supposent que la cause de la formation des paires et donc du phénomène de la supraconductivité réside dans les forces magnétiques. Pour la première fois, l'équipe de Garching a pu mettre en évidence des paires qui se forment de cette manière. Leur expérience était basée sur une disposition en réseau d'atomes froids, ainsi que sur une suppression délicate du mouvement des porteurs de charge libres. Les chercheurs rendent compte de leurs résultats dans la revue "Nature".
Depuis la découverte des supraconducteurs à haute température, il y a près de 40 ans, les scientifiques tentent d'élucider leurs mécanismes fondamentaux de physique quantique. Mais ces matériaux complexes restent mystérieux. Les nouvelles découvertes d'une équipe du département des systèmes quantiques à corps multiples du MPQ à Garching donnent un nouvel aperçu microscopique des processus qui pourraient sous-tendre ces supraconducteurs dits non conventionnels.
La formation de paires étroitement liées de porteurs de charge - électrons ou trous, comme on appelle les électrons vacants - est cruciale pour toute forme de supraconductivité. "La raison en est la mécanique quantique", explique Sarah Hirthe, physicienne au MPQ : chaque électron ou trou est porteur d'un spin demi-entier - une quantité physique quantique que l'on peut imaginer comme une mesure de la rotation interne d'une particule. Les atomes ont également un spin. Toutefois, pour des raisons de statistique quantique, seules les particules ayant un spin entier peuvent se déplacer sans résistance dans un réseau cristallin, dans certaines conditions. "Pour ce faire, les électrons ou les trous doivent donc s'apparier", explique M. Hirthe. Dans les supraconducteurs classiques, les vibrations du réseau, appelées phonons, facilitent l'appariement. Dans les supraconducteurs non conventionnels, en revanche, un mécanisme différent est à l'œuvre - mais la question de savoir lequel est resté sans réponse jusqu'à présent. "Dans une théorie largement acceptée, les forces magnétiques indirectes jouent un rôle crucial", rapporte Sarah Hirthe. "Mais cela n'a pas pu être confirmé dans les expériences jusqu'à présent".
Un modèle d'état solide hérissé de trous
Pour mieux comprendre les processus dans ces matériaux, les chercheurs ont utilisé un simulateur quantique : une sorte d'ordinateur quantique qui recrée des systèmes physiques. Pour ce faire, ils ont disposé des atomes ultrafroids dans un vide avec une lumière laser de manière à simuler les électrons dans un modèle simplifié d'état solide. Au cours de ce processus, les spins des atomes se sont arrangés avec des directions alternées : une structure antiferromagnétique a été créée, qui est caractéristique de nombreux supraconducteurs à haute température - et stabilisée par des interactions magnétiques. L'équipe a ensuite "dopé" ce modèle en réduisant le nombre d'atomes dans le système. De cette manière, des trous sont apparus dans la structure en forme de treillis.
L'équipe du MPQ a maintenant pu montrer que les forces magnétiques conduisent effectivement à des paires. Pour ce faire, ils ont utilisé une astuce expérimentale. "Les porteurs de charge en mouvement dans un matériau comme les supraconducteurs à haute température sont soumis à une compétition de différentes forces", explique Hirthe. D'une part, ils ont envie de se répandre, c'est-à-dire d'être partout en même temps. Cela leur confère un avantage énergétique. D'autre part, les interactions magnétiques assurent une disposition régulière des états de spin des atomes, des électrons et des trous - et vraisemblablement aussi la formation de paires de porteurs de charge. Cependant : "La concurrence des forces nous a jusqu'à présent empêchés d'observer de telles paires au niveau microscopique", explique Timon Hilker, chef du groupe de recherche. "C'est pourquoi nous avons eu l'idée d'empêcher le mouvement perturbateur des porteurs de charge dans une seule direction spatiale."
Un regard attentif à travers le microscope à gaz quantique
De cette façon, les forces magnétiques n'étaient, dans une large mesure, pas perturbées. Résultat : les trous qui se rapprochaient les uns des autres formaient les paires attendues. Pour observer ces paires, l'équipe a utilisé un microscope à gaz quantique, un appareil permettant de suivre en détail les processus de mécanique quantique. Non seulement les paires de trous ont été révélées, mais la disposition relative des paires a également été observée, ce qui suggère l'existence de forces répulsives entre elles. L'équipe rend compte de ses travaux dans la revue scientifique "Nature". "Les résultats soulignent l'idée que la perte de résistance électrique dans les supraconducteurs non conventionnels est causée par des forces magnétiques", souligne le professeur Immanuel Bloch, directeur du MPQ et chef de la division des systèmes quantiques à corps multiples. "Cela permet de mieux comprendre ces matériaux extraordinaires et montre une nouvelle façon de former des paires de trous stables même à très haute température, ce qui pourrait augmenter considérablement la température critique des supraconducteurs".
Les chercheurs de l'Institut Max Planck d'optique quantique prévoient maintenant de nouvelles expériences sur des modèles plus complexes dans lesquels de grands réseaux bidimensionnels d'atomes sont connectés. Ces systèmes de plus grande taille permettront, espère-t-on, de créer davantage de paires de trous et d'observer leur mouvement à travers le réseau : le transport du courant électrique sans résistance dû à la supraconductivité.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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