Utiliser des muons pour révéler le comportement des paires d’électrons supraconducteurs

Les matériaux quantiques et les supraconducteurs sont déjà difficiles à comprendre par eux-mêmes. Les supraconducteurs non conventionnels, qui ne peuvent pas être expliqués dans le cadre de la théorie standard, portent l’énigme à un niveau entièrement nouveau.

Un exemple typique de supraconductivité non conventionnelle est le ruthenate de strontium, SRO214, dont les propriétés supraconductrices ont été découvertes par une équipe de recherche incluant Yoshiteru Maeno, actuellement au Toyota Riken – Kyoto University Research Center.

On a longtemps cru que ce matériau présentait une supraconductivité triplet de spin, dans laquelle les paires d’électrons conservent des propriétés magnétiques et peuvent transporter des informations quantiques sans résistance électrique. Cependant, les résultats de récentes expériences de résonance magnétique nucléaire — RMN — ont renversé les conclusions précédentes, incitant à une vérification indépendante par d’autres techniques.

Depuis, diverses nouvelles études ont été menées, mais la nature fondamentale de l’état supraconducteur du SRO214 — à savoir, la symétrie du paramètre d’ordre supraconducteur — n’a pas encore été clarifiée. Cela a motivé une équipe collaborative de chercheurs dirigée par Maeno à tester une nouvelle approche.

Les chercheurs ont utilisé la résonance magnétique basée sur des muons — µ, des particules élémentaires étroitement liées aux électrons — en les implantant dans des monocristaux de haute qualité de SRO214. Ils ont ensuite étudié les cristaux en utilisant un spectromètre µSR récemment amélioré à l’Institut Paul Scherrer, PSI, ce qui a permis des mesures précises de changements extrêmement faibles dans les champs magnétiques internes à l’état supraconducteur lorsqu’un champ externe est appliqué. Ces changements sont connus sous le nom de déplacement Knight et fournissent des informations cruciales sur la manière dont les électrons forment des paires et entrent dans l’état supraconducteur.

Au cours de leurs investigations, l’équipe a également découvert un sérieux écueil dans une pratique expérimentale couramment utilisée, dans laquelle plusieurs petits cristaux sont disposés côte à côte pour améliorer l’intensité du signal. Les champs magnétiques parasites provenant de l’effet Meissner dans les cristaux supraconducteurs voisins peuvent générer des signaux trompeurs qui apparaissent dans les données µSR sans refléter les propriétés intrinsèques du matériau. Pour éviter cela, l’équipe a introduit un nouveau protocole de mesure qui combine la µSR avec des mesures complémentaires utilisant un dispositif d’interférence quantique supraconducteur, ou SQUID, ce qui leur a permis d’observer clairement une réduction du déplacement Knight lors de l’entrée dans l’état supraconducteur.

Grâce à leur nouvelle méthode, les chercheurs ont pu démontrer de manière concluante que la supraconductivité du SRO214 peut être expliquée de manière cohérente par la supraconductivité singulet de spin. Ces résultats devraient faire progresser l’étude des supraconducteurs en utilisant des techniques de résonance magnétique basées sur les muons, fournissant des informations complémentaires à celles obtenues par RMN.

« Notre travail démontre que, grâce aux récentes avancées instrumentales et méthodologiques au PSI, la µSR a maintenant atteint un niveau de sensibilité qui nous permet de sonder directement et avec précision même les signatures magnétiques extrêmement subtiles », explique le co-auteur Rustem Khasanov.

Article : Muon Knight Shift as a Precise Probe of the Superconducting Symmetry of Sr2RuO4 – Journal : Physical Review Letters – Méthode : Observational study – DOI : Lien vers l’étude

Source : Kyoto U.