Découverte d’un état supraconducteur à modulation atomique inédite dans un cristal de fer

Kimm Fesenmaier

La supraconductivité est un état physique quantique dans lequel un métal est capable de conduire parfaitement l’électricité sans aucune résistance. Dans son application la plus connue, elle permet aux puissants aimants des appareils d’IRM de créer les champs magnétiques qui permettent aux médecins de voir à l’intérieur de notre corps. Jusqu’à présent, les matériaux ne peuvent atteindre la supraconductivité qu’à des températures extrêmement basses, proches du zéro absolu (quelques dizaines de kelvins ou moins). Mais les physiciens rêvent de matériaux supraconducteurs qui pourraient un jour fonctionner à température ambiante. De tels matériaux pourraient ouvrir des possibilités entièrement nouvelles dans des domaines tels que l’informatique quantique, le secteur de l’énergie et les technologies médicales.

« Comprendre les mécanismes conduisant à la formation de la supraconductivité et découvrir de nouvelles phases supraconductrices exotiques n’est pas seulement l’une des activités les plus stimulantes de l’étude fondamentale des matériaux quantiques, mais elle est également motivée par le rêve ultime de parvenir à la supraconductivité à température ambiante », indique Stevan Nadj-Perge, professeur de physique appliquée et de science des matériaux à Caltech.

Une équipe dirigée par M. Nadj-Perge et comprenant Lingyuan Kong, chercheur postdoctoral associé à AWS quantum, et d’autres collègues de Caltech a découvert un nouvel état supraconducteur, ce qui apporte une nouvelle pièce au puzzle de ce phénomène mystérieux mais puissant. Un article sur ces travaux a été publié le 19 mars dans la revue Nature.

Dans les métaux normaux, les électrons individuels entrent en collision avec les ions lorsqu’ils se déplacent dans la structure du réseau du métal, composée d’ions de charge opposée. Chaque collision fait perdre de l’énergie aux électrons, ce qui augmente la résistance électrique. Dans les supraconducteurs, en revanche, les électrons sont faiblement attirés l’un par l’autre et peuvent se lier, formant des duos appelés paires de Cooper. Tant que les électrons restent dans une certaine plage relativement petite de niveaux d’énergie, connue sous le nom d’écart énergétique, les électrons restent appariés et ne perdent pas d’énergie par collision. C’est donc dans cet intervalle d’énergie relativement faible que se produit la supraconductivité.

En règle générale, l’écart énergétique d’un supraconducteur est le même à tous les endroits du matériau. Par exemple, dans un cristal supraconducteur sans impuretés, toutes les parties du cristal auraient le même écart énergétique.

Toutefois, à partir des années 1960, les scientifiques ont commencé à théoriser que l’écart énergétique de certains matériaux supraconducteurs pouvait se moduler dans l’espace, c’est-à-dire que l’écart pouvait être plus important dans certaines zones et plus faible dans d’autres. Plus tard, dans les années 2000, l’idée a été développée avec la proposition de ce que l’on appelle l’état d’onde de densité de paires (PDW), qui suggère qu’un état supraconducteur pourrait apparaître dans lequel l’écart d’énergie modulerait avec une grande longueur d’onde, où l’écart fluctuerait entre une mesure plus grande et plus petite.

Au cours de la dernière décennie, ce concept a suscité un intérêt expérimental considérable, de nombreux matériaux, y compris les supraconducteurs à base de fer, étant étudiés comme hôtes potentiels d’un état PDW.

Aujourd’hui, en travaillant avec des paillettes extrêmement fines d’un supraconducteur à base de fer, FeTe0.55Se0.45, M. Nadj-Perge et ses collègues ont découvert une modulation de l’intervalle supraconducteur avec la plus petite longueur d’onde possible, correspondant à l’espacement des atomes dans un cristal. Ils ont baptisé cet état « modulation de la densité des paires de Cooper » (PDM).

« La modulation de l’intervalle observée, qui peut atteindre 40 %, est la plus forte signalée à ce jour, ce qui constitue la preuve expérimentale la plus claire que la modulation de l’intervalle peut exister même à l’échelle atomique », explique M. Kong, auteur principal du nouvel article.

Cette découverte inattendue a été rendue possible par la première réalisation réussie d’expériences de microscopie à effet tunnel d’un supraconducteur à base de fer sur un appareil spécialisé dans l’étude de ces paillettes minces. Ces expériences ont été entravées pendant près de vingt ans par la présence d’une forte contamination de surface, mais l’équipe du Caltech, qui travaille au sein du Kavli Nanoscience Institute (KNI), a mis au point une nouvelle approche expérimentale qui a permis d’obtenir une surface suffisamment propre pour les sondes microscopiques.

Michał Papaj, professeur adjoint de physique à l’université de Houston, et Patrick A. Lee, professeur de physique William & Emma Rogers au MIT et associé invité au Caltech, tous deux également auteurs du nouvel article, ont développé un modèle théorique pour expliquer l’origine possible de la modulation de l’écart observée. « Leur modèle suggère que cette modulation de l’état PDM résulte de la rupture de la symétrie du sous-réseau et d’une symétrie de rotation unique propre aux paillettes minces », précise M. Nadj-Perge.

Lexique

1. Supraconductivité : Propriété quantique permettant un transport électrique sans résistance, observée à très basse température.
2. Paires de Cooper : Duos d’électrons liés par une interaction attractive, essentiels à la supraconductivité.
3. Gap énergétique : Plage d’énergie où les électrons restent appariés sans collision, conditionnant la supraconductivité.
4. Modulation de densité de paires (PDM) : Variation spatiale du gap supraconducteur à l’échelle atomique, découverte dans ce travail.
5. FeTeSe : Composé fer-sélénium-tellure (FeTe₀,₅₅Se₀,₄₅), matériau clé pour l’étude de la supraconductivité non conventionnelle.
6. Microscopie à effet tunnel : Technique d’imagerie nanométrique utilisée pour analyser les propriétés électroniques des matériaux.
7. Symétrie cristalline : Organisation géométrique des atomes dans un cristal, dont la brisure influence les phases supraconductrices.

Légende illustration : Modulation spatiale de l’espace supraconducteur codée en couleur et mesurée à l’aide de la microscopie à effet tunnel. Credit: Lingyuan Kong, IQIM/AWS Postdoctoral Fellow

Article : « Cooper-pair density modulation state in an iron-based superconductor » – DOI : 10.1038/s41586-025-08703-x

Source : Caltech