27.09.2022 - Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

Lumière térahertz à partir de bandes supraconductrices

Des scientifiques découvrent une émission anormale de rayonnement térahertz à partir d'oxydes de cuivre dans lesquels la supraconductivité coexiste avec l'ordre de la bande de charge

Pourquoi certains matériaux ne transportent-ils des courants électriques sans aucune résistance que lorsqu'ils sont refroidis à un niveau proche du zéro absolu, alors que d'autres le font à des températures comparativement élevées ? Cette question clé continue de perturber les scientifiques qui étudient le phénomène de la supraconductivité. Une équipe de chercheurs du groupe d'Andrea Cavalleri à l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière (MPSD) à Hambourg a apporté la preuve que les "bandes" d'électrons dans certains composés à base de cuivre peuvent entraîner une rupture de la symétrie cristalline du matériau, qui persiste même à l'état supraconducteur. Leurs travaux ont été publiés dans PNAS.

En se concentrant sur une série de cuprates, l'équipe a étudié la coexistence et la compétition de leur état supraconducteur avec d'autres phases quantiques. Ces interactions sont considérées comme cruciales pour le développement de la supraconductivité à haute température, un processus qui reste l'un des plus importants problèmes non résolus de la physique de la matière condensée.

Les chercheurs ont exposé plusieurs cristaux de cuprate, cultivés et caractérisés au Brookhaven National Labs, à des impulsions de lumière laser ultrabrèves. Ils ont observé comment les matériaux ont commencé à émettre un type particulier de lumière térahertz (THz) - une technique connue sous le nom de spectroscopie d'émission THz. Habituellement, ces émissions ne se produisent qu'en présence d'un champ magnétique ou d'un courant polarisant. Cependant, l'équipe du MPSD a sondé les cuprates sans appliquer de polarisation externe et a découvert une émission THz "anormale" dans certains d'entre eux. Ces composés présentaient ce que l'on appelle l'ordre de la bande de charge, où les électrons s'organisent en chaînes plutôt que de se déplacer librement. L'ordre de la bande de charge semble briser la symétrie cristalline du matériau, tout comme le ferait un champ magnétique ou un courant appliqué, et cette rupture de symétrie persiste à l'état supraconducteur.

"En réalisant des expériences sur différents composés, explique Daniele Nicoletti, auteur principal de l'article, nous avons été très surpris de trouver une émission THz cohérente et presque unicolore dans certains supraconducteurs et, à l'inverse, une absence totale de réponse dans d'autres. Nous avons pu associer les caractéristiques de l'émission THz avec une certitude raisonnable à la présence de l'ordre des bandes de charge, une phase ordonnée particulière que l'on trouve dans diverses familles de cuprates et qui est censée jouer un rôle dans le mécanisme qui sous-tend la supraconductivité à haute température. Les bandes de charge sont susceptibles de provoquer une rupture de symétrie dans le supraconducteur, dont la présence n'avait pas été découverte par d'autres techniques expérimentales dans le passé."

En collaboration avec des physiciens de l'Université de Harvard, de l'ETH Zurich et de la division théorique du MPSD, l'équipe a fourni une explication détaillée de cette phénoménologie. Partant de l'observation que l'émission THz cohérente se produit très près de la "fréquence du plasma Josephson", qui est la fréquence de résonance par effet tunnel des paires d'électrons supraconducteurs à travers les plans cristallins cuivre-oxygène, les chercheurs ont identifié les "plasmons Josephson de surface" comme étant la source de l'émission. Il s'agit d'analogues d'ondes sonores qui se développent à l'interface entre le supraconducteur et l'environnement extérieur. En principe, ce sont des modes "silencieux", c'est-à-dire qu'ils ne se couplent pas directement avec la lumière et ne devraient donc pas rayonner. Cependant, c'est précisément la présence de la modulation de charge introduite par l'ordre des bandes qui fournit le couplage nécessaire avec le monde extérieur et permet à ces modes de s'allumer.

Les travaux de l'équipe fournissent de nouvelles informations importantes sur les processus menant à la supraconductivité à haute température. Ils révèlent également que l'émission THz anormale cohérente est un outil sensible pour sonder la symétrie des supraconducteurs en présence d'autres phases. Les chercheurs estiment que cette méthode devrait être appliquée à une classe plus large de composés à l'avenir, ouvrant ainsi de nouvelles possibilités pour comprendre la physique des interactions complexes dans ces matériaux.

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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