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Une phase magnétique, étape-clé du passage à l'état supraconducteur d'un cuprate ?

mardi 20 avril 2021, par Julien Le Bonheur

Que se passe-t-il au sein d'un matériau (cuprate) avant l'effondrement de sa résistance au courant électrique, lorsqu'il devient supraconducteur ? Un scientifique de l'Institut de physique de Rennes a contribué à montrer l'existence d'une nouvelle phase magnétique dans ce matériau. Elle pourrait contribuer à expliquer ce phénomène encore largement mystérieux. Publication dans Nature Physics (5 avril 2021).

Le pseudogap, clé pour comprendre la supraconductivité à haute température

Le phénomène de la supraconductivité à haute temperature (HT), découvert il y a 35 ans, continue à défier toute interprétation physique. Un nombre toujours plus grand de scientifiques croient qu’une compréhension correcte de la phase dite de pseudogap pourrait constituer la clef pour comprendre ces supraconducteurs HT. Ils essaient d’en pénetrer les mystères avec des expériences de plus en plus sophistiquées.

Une nouvelle phase magnétique pour expliquer le pseudogap ?

Le pseudogap sera-t-il la pierre de Rosette des supraconducteurs HT ? Seul le futur le dira. Pour l'heure, dans l'article dont il est question ici, les scientifiques montrent qu’un composé de la famille des cuprates supraconducteurs à haute température, de composition chimique Sr2CuO2Cl2, est caractérisé par une nouvelle phase magnétique, jamais découverte auparavant, qui pourrait expliquer la formation du pseudogap dans ces matériaux.

Pour réaliser cette découverte, Sergio Di Matteo, professeur à l'Université de Rennes 1 et membre de l'Institut de physique de Rennes (CNRS/Université de Rennes 1) a contribué aux travaux d'une équipe américaine qui a utilisé une technique expérimentale extrêmement sensible aux petites variations de symétrie dans les cristaux.

Basée sur l’analyse des signaux de deuxième harmonique (SHG = second harmonic generation), cette technique est développée au California Institute of Technology. Elle consiste à envoyer un faisceau de photons d’énergie E sur l’échantillon, qui renvoie alors des photons d’énergie 2E. L’analyse en angle du signal détecté par scan azimuthal permet de révéler les brisures de symétrie du matériau.

La sensibilité de cette technique est meilleure que celle des méthodes traditionnelles, telles que la diffraction des rayons X ou des neutrons.

La contribution rennaise

La contribution du professeur Sergio Di Matteo depuis l’Institut de physique de Rennes, en collaboration avec l'Argonne national Laboratory (É.-U.), a pris la forme d’un modèle théorique des signaux de second harmonic generation par une méthode basée sur la théorie des groupes et sur le développement en tenseurs sphériques jusqu’à l’ordre quatre.

Une seule formule de cette analyse tenant en plus d’une page, elle n'est pas reprise ici pour d’évidentes raisons d’espace...

Effets de brisure de symétrie dans les plans CuO2 - À g., symmétrie 4/mmm1' du matériau dans la phase paramagnétique. À dr., dans la phase antiferromagnétique, brisure de symétrie d'inversion temporelle due aux courants (anneaux rouge et vert) : 4/mm'm'  - © Sergio di Matteo (IPR/Université de Rennes 1)

Les résultats ont permis de corroborer les résultats expériementaux résumés dans les figures ci-dessus. Le choix du matériau, Sr2CuO2Cl2, a été aussi suggéré par l’analyse théorique : caractérisé par une parfaite symétrie structurelle tetragonale dans sa phase paramagnétique ainsi que dans sa phase antiferromagnétique, il permet d’éliminer de l’analyse les degrés de liberté structuraux.

Cette parfaite tetragonalité dans les plans CuO2, rare dans les phases antiferromagnétiques des cuprates, permet de mettre en évidence les effets de brisure de symétrie dus à des courants électroniques intra-plan CuO2, jusqu’à présent jamais démontrés de façon claire.

Perspectives

L’existence de ces courants, prévue théoriquement en 1998, pourrait être la clef qui nous manquait pour expliquer la diminution d’états électroniques dans les supraconducteurs lorsqu’on s’approche de la phase supraconductive, le pseudogap.

Référence

Mirror symmetry breaking in a model insulating cuprate
A. de la Torre, K. L. Seyler, L. Zhao, S. Di Matteo, M. S. Scheurer, Y. Li, B. Yu, M. Greven, S. Sachdev, M. R. Norman, and D. Hsieh
Nat. Phys. (2021). doi: 10.1038/s41567-021-01210-6

[Article repris d'un texte original du Pr Sergio Di Matteo]

Structure d'un cuprate vu en microscopie électronique - Image D. Colson DSM/IRAMIS/SPEC - supraconductivite.fr

Voir en ligne : Université Rennes 1 / Une phase magnétique, étape-clé du passage à l'état supraconducteur d'un cuprate ?

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