Des vibrations synchronisées suffisent à modifier les matériaux

Ellen Neff

Le monde n’est jamais vraiment au repos. Même dans un vide proche des températures ultrafroides où tout mouvement classique devrait s’arrêter, on trouve des fluctuations quantiques. Dans les matériaux minces bidimensionnels, celles-ci incluent des vibrations aléatoires qui peuvent altérer les champs électromagnétiques, une caractéristique que les théoriciens ont postulée comme pouvant être très utile pour modifier les matériaux.  

« C’est un graal que nous recherchons depuis des décennies », a déclaré Dmitri Basov, professeur Higgins de physique à Columbia. « Nous pensons l’avoir trouvé. » 

Dans un nouvel article publié dans Nature, Basov et 32 collaborateurs de 17 institutions se sont réunis pour confirmer que les fluctuations quantiques seules du vide à l’intérieur de couches atomiquement minces de matériaux 2D peuvent modifier les propriétés d’un plus gros cristal voisin – une possibilité théorique désormais réalisée expérimentalement pour la première fois.  

L’équipe, dirigée par les postdoctorants de Columbia Itai Keren, Tatiana Webb et Shuai Zhang, a placé un flocon nanométrique de nitrure de bore hexagonal (hBN) sur le matériau supraconducteur κ-(BEDT-TTF)₂Cu[N(CN)₂]Br, ou κ-ET, en abrégé. Sans ajout de lasers ou autres forces d’entraînement externes, la supraconductivité s’est arrêtée.  

Ce n’est pas exactement le résultat que recherchent ceux qui souhaitent améliorer le flux électrique sans perte, mais c’est une preuve de concept importante. « Tout nouveau bouton que les gens peuvent trouver pour régler la supraconductivité est significatif », a expliqué Keren. 

Les fluctuations quantiques trouvées entre les couches de hBN vibrent à une résonance caractéristique qui se trouve correspondre à celle du κ-ET. « C’était notre intuition : si les vibrations correspondent, elles devraient interagir », a ajouté Keren. Alors que les deux interagissent, l’environnement électromagnétique dans le cristal κ-ET change d’une manière qui entrave le mouvement de ses électrons, les empêchant d’atteindre un état collectif supraconducteur.  Lorsqu’ils ont testé le hBN contre un supraconducteur avec un ensemble différent de résonances, rien ne s’est produit.  

L’idée a germé il y a des années à Central Park. Lors de visites à New York, le collaborateur théoriste Angel Rubio, de l’Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière à Hambourg, a expliqué le potentiel des fluctuations quantiques à un Basov, alors sceptique. « Je pensais que sa proposition était impossible, mais elle était si séduisante qu’il était impossible de ne pas essayer », s’est souvenu Basov.  

La question était de savoir comment, mais dans son laboratoire de nano-optique se trouvait le hBN – une solution, attendant son problème. 

Le hBN est devenu un outil de travail dans un certain nombre d’applications industrielles et expérimentales, mais en tant qu’espaceur isolant et inerte. Mais à partir de 2014, le laboratoire de Basov a commencé à observer des propriétés optiques intéressantes dans le hBN qui, alors que ses conversations avec Rubio se poursuivaient au fil des années, en ont fait un candidat attrayant pour une cavité. 

Une cavité est une structure qui confine la lumière et d’autres ondes électromagnétiques. Si aucune onde n’est présente, c’est, en un sens, un vide – mais cela ne signifie pas que c’est un vide totalement vide. Les cavités hébergent toujours des fluctuations quantiques. Classiquement, des miroirs ont été utilisés pour créer des cavités, mais les fluctuations quantiques se renforcent à mesure que les cavités rétrécissent. Les feuilles nanométriques de hBN sont à peu près aussi petites que possible.  

Utilisant des microscopes optiques à champ proche spécialisés (SNOMs), Zhang, aujourd’hui professeur assistant à l’Université Fudan, et d’autres membres du laboratoire de Basov, ont confirmé au fil des ans que les quasiparticules vibrantes apparaissant à l’intérieur des couches de hBN peuvent interagir avec et modifier les vibrations d’autres cristaux, y compris le κ-ET supraconducteur. Mais les SNOMs sont des outils optiques qui reposent sur des photons – des particules porteuses de lumière qui peuvent aussi modifier les matériaux. Pour prouver ce dont les fluctuations quantiques seules étaient capables, Basov avait besoin d’un moyen de travailler dans le noir – littéralement.  

Le co-auteur et collègue physicien de Columbia, Abhay Pasupathy, avait juste la sonde noire : un microscope à force magnétique cryogénique (MFM). Les MFM détectent l’effet Meissner, qui est la force répulsive entre un supraconducteur et un aimant, et le laboratoire de Pasupathy peut détecter les supraconducteurs à travers des couches de recouvrement à des températures extrêmement froides.  

Keren et Webb ont brillamment exécuté les expériences MFM, dont les résultats ont paru trop beaux pour être vrais à Rubio. « Les fluctuations du vide sont extrêmement petites, mais l’effet observé est énorme », a-t-il affirmé. La supraconductivité était supprimée dans le κ-ET jusqu’à près de ½ micromètre – 10 fois la largeur du flocon de hBN utilisé.   

Modifier les propriétés d’un matériau dans le passé impliquait généralement une sorte de secousse, a expliqué Rubio : une poussée mécanique, un peu de chaleur ajoutée, ou une impulsion laser, pour un effet de courte durée. Mais sans la force externe, les modifications pourraient être plus persistantes.  Lui et ses collègues théoriciens sur l’article travaillent encore à réconcilier une explication unique pour ces résultats exceptionnels. « Même si la théorie n’explique pas encore entièrement les résultats, nous avons maintenant une preuve expérimentale d’interactions médiées par le vide dans un système matériel. À long terme, cela devrait être une étape majeure », a souligné Rubio.  

La nature hyperbolique du hBN est une caractéristique importante. Les matériaux hyperboliques sont structurés de manière unique pour amplifier toutes les vibrations internes – imaginez la « ola » grandissant d’une seule personne à un stade entier. « C’est un effet remarquable que l’on peut avoir avec les matériaux hyperboliques », a expliqué Webb, aujourd’hui professeure assistante au Barnard College. « Nous avons maintenant une preuve de concept que c’est un moyen viable de modifier les propriétés électroniques des matériaux, et c’est quelque chose que nous pourrions intégrer dans les conceptions de matériaux. » 

Les vibrations dans le hBN peuvent être ajustées, par exemple, en changeant son épaisseur. « Si nous pouvons contrôler celles-ci, nous pouvons régler notre supraconducteur à volonté. Mais nous ne parlons pas seulement de supraconducteurs », a déclaré Keren. Différents types d’aimants et de matériaux ferroélectriques ont des vibrations spécifiques associées à ces propriétés ; trouver une cavité correspondante pourrait être tout ce qu’il faut pour les modifier. « Nous nous attendons à voir d’autres chercheurs à la recherche de nouvelles combinaisons », a-t-il conclu.  

Du vide d’une cavité quantique émerge une toute nouvelle façon d’ingénier les matériaux. Tout cela grâce à de bonnes vibrations. 

Article : Cavity-altered superconductivity – Journal : Nature – DOI : Lien vers l’étude

Source : Columbia U.