La nouvelle étude fournit des informations importantes sur la manière dont la supraconductivité peut survenir dans des matériaux contenant des électrons presque «gelés».
Un nouveau mécanisme qui donne naissance à la supraconductivité dans un matériau où la vitesse des électrons est presque nulle a été découvert par des scientifiques de l’Université du Texas à Dallas et leurs partenaires de l’Ohio State University. Cette percée pourrait ouvrir la voie au développement de nouveaux supraconducteurs.
Les résultats de leur étude, récemment publiés dans la revue Nature, décrivent une nouvelle approche pour calculer la vitesse des électrons. Cette étude représente également le premier cas où la géométrie quantique a été reconnue comme le principal mécanisme contribuant à la supraconductivité dans n’importe quel matériau.
Le matériau étudié par les chercheurs est une bicouche torsadée
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>graphène[{“attribute=””>graphene. Le graphène est une couche unique d’atomes de carbone disposés périodiquement selon un motif en nid d’abeille. Dans le graphène bicouche torsadé, deux feuilles de graphène sont empilées l’une sur l’autre avec une légère torsion angulaire. En principe, à un certain angle de torsion “magique”, la vitesse des électrons dans le matériau approche de zéro, a déclaré le Dr Fan Zhang, professeur agrégé de physique à l’École des sciences naturelles et des mathématiques de l’UT Dallas et auteur de l’étude. . Zhang, un théoricien, et ses collaborateurs ont précédemment publié un article de synthèse sur les propriétés physiques uniques de tels systèmes.
“Dans un métal conventionnel, la vitesse moyenne des électrons est responsable de la conductivité, et dans un supraconducteur, les électrons s’apparient en paires de Cooper pour circuler uniformément sans résistance ni dissipation”, a déclaré Zhang. “En revanche, dans le graphène bicouche torsadé, les électrons se déplacent très, très lentement, avec une vitesse proche de zéro. Mais cela produit un paradoxe : comment ces électrons lents peuvent-ils conduire l’électricité, sans parler de la supraconduction ?
« La supraconductivité doit provenir d’autre chose. Nous avons déterminé qu’il découle de la géométrie quantique.
La nouvelle étude fournit des informations importantes sur la manière dont la supraconductivité peut survenir dans des matériaux contenant des électrons presque «gelés».
Les chercheurs de l’Ohio State, dirigés par les professeurs de physique et auteurs de l’étude, le Dr Marc Bockrath, le Dr Jeanie Lau et le Dr Mohit Randeria, ont fabriqué un dispositif de graphène bicouche torsadé à angle magique et ont pu mesurer la vitesse de ses électrons. Les physiciens de la matière condensée ont exploité l’effet Schwinger, dans lequel des paires électron-positon sont créées spontanément en présence d’un champ électrique, pour mesurer la vitesse des électrons dans le matériau et sa contribution à la supraconductivité. Les découvertes marquent la première fois que l’effet Schwinger, un phénomène prédit mais pas encore observé en physique relativiste des particules, a été observé dans un supraconducteur.
« Il s’avère que la vitesse est la plus lente à ce jour parmi tous les systèmes de graphène. Étonnamment, la supraconductivité peut encore survenir », a déclaré Tianyi Xu, doctorant en physique dans le groupe de théorie de Zhang et auteur de l’article. «Il était important de comprendre comment mesurer la vitesse des électrons, car la détermination de la vitesse était une étape clé qui nous a permis de calculer sa contribution à la supraconductivité. Il s’avère que la contribution est infime.
Les mesures expérimentales et les analyses théoriques ont démontré que la contribution dominante à la supraconductivité provient plutôt de la géométrie quantique, qui est analogue à la géométrie ordinaire mais provient de la physique quantique à plusieurs corps.
« Considérez un ballon dans notre espace tridimensionnel normal. Toutes ses propriétés géométriques peuvent être déterminées par la métrique et la courbure définie sur sa surface », a déclaré Patrick Cheung MS’22 PhD’22, ancien étudiant diplômé de Zhang et auteur de l’article. « Il en va de même pour l’espace dans lequel vivent les électrons quantiques. Dans ce soi-disant espace de Hilbert, la géométrie quantique peut donner lieu à des propriétés matérielles et des applications incroyables, telles que la supraconductivité discutée dans cette étude et la détection quantique intelligente, que nous avons démontrée dans un travail précédent.
La supraconductivité rendue possible par la géométrie quantique est un mécanisme non conventionnel. Les nouvelles découvertes pourraient être une base pour découvrir et concevoir de nouveaux supraconducteurs qui fonctionnent à des températures plus élevées que celles établies, qui fonctionnent en dessous de 150 kelvins (-123 degrés
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>Celsius[{“attribute=””>Celsius ou -190 degrés
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>Fahrenheit[{“attribute=””>Fahrenheit) à pression ambiante.
“Un supraconducteur à haute température, fonctionnant à température ambiante, a longtemps été le Saint Graal de la matière condensée et de la physique des matériaux”, a déclaré Xu. “S’il pouvait être développé, nos vies et notre société seraient complètement remodelées car, par exemple, nous pourrions transporter l’électricité beaucoup plus efficacement et faire fonctionner des trains maglev beaucoup moins cher.”
Zhang a ajouté : « La géométrie quantique est étonnante et conduit à des conséquences riches et inattendues. Une physique bien plus excitante attend d’être découverte.
Référence : “Evidence for Dirac flat band superconductivity enabled by quantum geometry” par Haidong Tian, Xueshi Gao, Yuxin Zhang, Shi Che, Tianyi Xu, Patrick Cheung, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Mohit Randeria, Fan Zhang, Chun Ning Lau et Marc W. Bockrath, 15 février 2023, Nature.
DOI : 10.1038/s41586-022-05576-2
En plus des chercheurs de l’Ohio State University, d’autres auteurs comprenaient des scientifiques de l’Institut national des sciences des matériaux au Japon.
Le financement des chercheurs de l’UTD impliqués dans les travaux provenait de la National Science Foundation et du Army Research Office, une composante du US Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory.
