La comparaison de composés « frères » pourrait être la clé du casse-tête quantique dans les matériaux supraconducteurs

31 août 2023

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par Kate Blackwood, Université Cornell

Depuis des années, les physiciens tentent d'expliquer un phénomène quantique qui se produit dans une grande classe de matériaux supraconducteurs : les électrons contenus dans les « métaux étranges » se dispersent à des vitesses élevées selon la température. Comprendre pourquoi cela se produit dans certains métaux non conventionnels pourrait être la clé de nombreuses énigmes liées aux matériaux quantiques, notamment la supraconductivité à haute température, recherchée depuis longtemps par les physiciens pour un moyen plus efficace de transfert d'énergie électrique.

Dans deux nouveaux articles, une collaboration internationale de chercheurs comprenant des physiciens de Cornell explique, au niveau microscopique, pourquoi une telle diffusion « planckienne » se produit dans le composé PdCrO2 alors qu'elle ne se produit pas dans sa « sœur » presque identique PdCoO2.

La diffusion planckienne, la vitesse à laquelle les électrons se heurtent aux imperfections du matériau et entre eux, augmente linéairement avec la température. En comparant PdCrO2 et PdCoO2, qui sont des cristaux très propres aux propriétés bien documentées, les chercheurs donnent pour la première fois une description quantitative précise de l'origine du mystérieux « taux de diffusion planckienne » dans les métaux en forte interaction.

"Résistivité T-linéaire de la diffusion magnéto-élastique : application à PdCrO2" publié le 28 août dans les Actes de l'Académie nationale des sciences (PNAS).

Dans de nombreux métaux étranges, le temps caractéristique entre les collisions d'électrons, entre eux et contre tout ce qu'ils rencontrent sur leur passage, est déterminé par la constante de Planck et la température, a déclaré Debanjan Chowdhury, professeur adjoint de physique au Collège des Arts et des Sciences. et co-auteur de l'article. Une grande majorité des supraconducteurs à haute température connus, lorsqu'ils sont chauffés au-dessus de leur température supraconductrice, présentent cette propriété.

C’est pourquoi on a cru pendant un certain temps que la clé pour comprendre l’origine de la supraconductivité à haute température résidait dans la compréhension du fil conducteur commun à ces matériaux qui conduit à cette échelle de temps planckienne universelle.

"La motivation derrière cette collaboration théorique et expérimentale était d'avoir au moins un exemple matériel où chaque propriété pertinente pour le transport électrique est connue avec précision, et de construire une théorie microscopique sur l'origine des temps de diffusion planckiens", a déclaré Chowdhury.

"Pour autant que je sache, c'est l'un des premiers composés non conventionnels pour lequel nous disposons d'une théorie quantitative du transport à partir d'un modèle microscopique du matériau, qui se trouve déjà en grand accord avec l'expérience."

Les enjeux étant élevés pour appliquer cela à une utilisation très efficace de l'énergie, un effort considérable est déployé en physique de la matière condensée pour en comprendre la cause, a déclaré Chowdhury. "Le malheur est que ces matériaux supraconducteurs sont vraiment difficiles à comprendre et à modéliser théoriquement", a-t-il déclaré. "Notre espoir était donc de nous concentrer d'abord sur un matériau plus simple, plus propre et vraiment bien caractérisé afin d'élaborer une théorie sur ce phénomène."

Le matériau de choix, PdCrO2, est une « delafossite » magnétique (une sorte d'oxyde de chrome) que Chowdhury appelle un exemple paradigmatique de « matériau corrélé intéressant » avec deux espèces d'électrons : un ensemble d'électrons mobiles qui conduisent librement l'électricité, et un autre ensemble d’électrons immobiles qui affichent du magnétisme. Le magnétisme électronique dans PdCrO2 est essentiel ; dans le composé frère PdCoO2, tout se ressemble, sauf qu’il n’y a aucune trace de magnétisme. Dans PdCrO2, le transport électrique est planckien, alors que dans PdCoO2, il ne l'est pas.