Comprendre la supraconductivité en manipulant les atomes

Publié par Adrien le 12/03/2020 à 09:00
Source: CNRS INP
En parvenant à déplacer individuellement des atomes à la surface d'un oxyde supraconducteur, des physiciens ont mis en évidence un lien direct entre la structure atomique locale du matériau et les propriétés des porteurs de charge impliqués dans la supraconductivité (La supraconductivité (ou supraconduction) est un phénomène caractérisé par l'absence de résistance électrique et l'annulation du champ magnétique — l'effet Meissner — à l'intérieur de...).


En utilisant le champ électrique fourni (Les Foúrnoi Korséon (Grec: Φούρνοι Κορσέων) appelés plus communément Fourni, sont un archipel de...) par la pointe d'un microscope à effet tunnel (Le microscope à effet tunnel (en anglais STM, Scanning Tunneling Microscope) fut inventé en 1981 par des chercheurs d'IBM, Gerd Binnig et Heinrich Rohrer, qui reçurent le Prix Nobel de physique pour cette invention en 1986. C'est un...), les atomes de bismuth (Le bismuth est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole Bi et de numéro atomique 83.) à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement...) du supraconducteur à haute température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée...) critique Bi2Sr2CaCu2O8+x peuvent être déplacés latéralement. Grâce à la manipulation d'un seul atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est...), le gap dans le spectre d'excitation augmente. © LPS (CNRS/Univ. Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les confluents de la Marne...) Saclay)

La compréhension microscopique des supraconducteurs à haute température critique reste l'un des principaux problèmes ouverts en physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans...) de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et...) condensée. Les interactions fortes entre porteurs de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement...) donnent lieu à des ordres électroniques souvent en compétition à petite échelle. Les sondes en champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) proche, comme la microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope....) à effet tunnel (L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir une barrière de potentiel, franchissement impossible selon la mécanique classique. Généralement, la fonction d'onde...), sont idéales pour analyser les surfaces de ces matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.), en raison de leur grande sensibilité spatiale et énergétique. Cependant, le désordre structural des oxydes de cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses surfaces fraîches une teinte rosée...) supraconducteurs empêche de corréler directement la structure atomique avec les propriétés électroniques impliquées dans leur supraconductivité.

En utilisant le champ électrique autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres...) de la pointe d'un microscope à effet tunnel (Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de fer, canal, route, chemin piétonnier). Sont apparentés aux tunnels par leur mode de construction les grands ouvrages...), des physiciens du Laboratoire de physique des solides (LPS, CNRS/Univ. Paris Saclay) d'Orsay ont découvert qu'il est possible de sélectionner et déplacer un à un des atomes à la surface du composé Bi2Sr2CaCu2O8+x. Puisque ces manipulations d'un seul atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. La théorie...) sont non destructives et réversibles, elles permettent d'étudier en détail les propriétés électroniques avant et après la manipulation. Cette technique s'affranchit donc efficacement des effets d'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme...) inhomogène et donne un aperçu direct de l'effet des atomes individuels sur les propriétés électroniques locales. Ce travail est publié dans la revue Science.

Dans les matériaux supraconducteurs, tous les porteurs de charge sont appariés. Pour briser une paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :), il faut fournir une certaine quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.) d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.), à l'origine d'un gap dans le spectre d'énergie d'excitation électronique. Or, les chercheurs ont mis en évidence qu'en déplaçant les atomes de bismuth à la surface du composé Bi2Sr2CaCu2O8+x, il est possible d'agir sur la taille de ce gap. Cela suggère que des atomes individuels peuvent augmenter ou réduire localement la formation de paires, et donc la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles « force...) locale de la supraconductivité. Cela donne un nouvel aperçu du mécanisme d'appariement et de l'échelle caractéristique sur laquelle ce mécanisme se produit.

Référence:
Atomic manipulation of the gap in Bi2Sr2CaCu2O8+x.
F. Massee, Y. K. Huang et M. Aprili,Science, le 3 janvier 2020.
DOI: 10.1126/science.aaw7964.
Article disponible sur la base d'archives ouvertes arXiv.
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