Nouvelle étude publié dans Lettres d’examen physique (PRL) explore le potentiel du couplage électron-phonon en quadrature pour améliorer la supraconductivité grâce à la formation de dipôles quantiques.

Le couplage électron-phonon est l’interaction entre les électrons et les vibrations dans un réseau appelé phonons. Cette interaction est cruciale pour la supraconductivité (conductivité électrique sans résistance) de certains matériaux car elle facilite la formation de paires de Cooper.

Les paires de Cooper sont des paires d’électrons liés entre eux via des interactions attractives. Lorsque ces paires de Cooper se condensent dans un état cohérent, nous obtenons des propriétés supraconductrices.

Le couplage électron-phonon peut être classé en fonction de sa dépendance au déplacement du phonon, c’est-à-dire la quantité de vibration du réseau. Le cas le plus courant est celui où la densité électronique est couplée linéairement aux déplacements du réseau, provoquant une distorsion du réseau pour entourer chaque électron.

Les chercheurs voulaient étudier si la supraconductivité des matériaux présentant un couplage quadratique pouvait être améliorée lorsque l’énergie d’interaction est proportionnelle au carré du décalage des phonons.

Phys.org s’est entretenu avec les co-auteurs de l’étude, Zhaoyu Han, Ph.D. Candidat à l’Université de Stanford et Dr Pavel Volkov, professeur adjoint au Département de physique de l’Université du Connecticut.

Parlant de sa motivation derrière la poursuite de ces recherches, Hahn a déclaré : « L’un de mes rêves a été d’identifier et de proposer de nouveaux mécanismes qui pourraient aider à atteindre la supraconductivité à haute température. »

« La supraconductivité du titanate de strontium dopé a été découverte il y a plus de 50 ans, mais son mécanisme reste une question ouverte, les mécanismes classiques étant improbables. C’est pourquoi j’ai commencé à rechercher des mécanismes alternatifs de couplage électron-phonon », a déclaré le Dr Volkov.

Le couplage linéaire et ses défis pour la supraconductivité

Comme mentionné précédemment, le couplage peut être classé comme linéaire ou quadratique.

Le couplage linéaire fait référence au scénario dans lequel le couplage est proportionnel au déplacement des phonons. En revanche, le couplage quadratique dépend du carré du décalage des phonons.

Ils peuvent être identifiés grâce à l’étude de la symétrie de la matière, aux observations expérimentales et aux cadres théoriques. Cependant, leurs effets sur la supraconductivité semblent très différents.

Le couplage linéaire, qui apparaît dans la plupart des matériaux supraconducteurs, est largement étudié en raison de sa prévalence dans de nombreux matériaux et de son cadre théorique.

Cependant, les supraconducteurs conventionnels dotés d’un couplage électron-phonon linéaire sont confrontés à des limites. Ces matériaux ont une faible température critique, qui est la température en dessous de laquelle un matériau peut présenter une supraconductivité.

« Les températures critiques de ces supraconducteurs sont généralement inférieures à 30 Kelvin ou -243,15 degrés Celsius. Cela est dû en partie au fait que l’énergie de liaison et l’énergie cinétique de la paire Cooper sont considérablement supprimées dans les régimes de couplage faible et fort, respectivement », a expliqué Hahn.

Dans le cas d’un couplage faible, les interactions électron-phonon sont faibles en raison de la faible énergie de liaison. En couplage fort, les interactions sont plus fortes, conduisant à une augmentation de la masse effective des paires de Cooper, ce qui conduit à la suppression de la supraconductivité.

Cependant, la suppression entrave tout effort visant à améliorer les températures critiques dans de tels matériaux en augmentant simplement la force de couplage, encourageant les chercheurs à explorer des matériaux dotés d’un couplage électron-phonon quadratique, qui n’est pas bien compris.

Modèle Holstein et pôles quantiques

Le modèle Holstein est un cadre théorique utilisé pour décrire l’interaction entre les électrons et les phonons. Il a déjà été utilisé pour étudier la physique générale du couplage linéaire électron-phonon.

Les chercheurs ont étendu le modèle Holstein pour inclure le couplage électron-phonon en quadrature dans leur étude.

Le modèle Holstein aide à calculer des quantités telles que l’énergie de liaison des paires de Cooper et la température critique des supraconducteurs.

Dans les matériaux conventionnels, la liaison des électrons médiée par les phonons conduit à la formation de paires de Cooper.

L’interaction est linéaire, ce qui signifie que la force de couplage augmente avec l’amplitude des vibrations du réseau. Cette interaction peut être comprise à l’aide des principes de la physique classique et est bien étayée par des observations expérimentales telles que les effets isotopiques.

Dans le cas d’une conjonction quadratique, la situation est complètement différente. En étendant le modèle Holstein pour inclure la dépendance du second ordre du couplage au déplacement des phonons, les chercheurs ont pris en compte les fluctuations quantiques (mouvement aléatoire) des phonons et leur énergie du point zéro (l’énergie des phonons à 0 K ).

Les électrons interagissent avec les fluctuations quantiques des phonons, formant un « dipôle quantique ». Contrairement au couplage linéaire, l’origine des interactions attractives est la mécanique quantique pure.

La supraconductivité est dans la limite du couplage faible et fort

Les chercheurs ont découvert que lorsque l’interaction électron-phonon est faible, le mécanisme par lequel les électrons s’apparient pour former des paires de Cooper n’est pas efficace, comme dans le cas linéaire. Il en résulte une température critique plus basse qui peut être affectée par la masse des ions (effet isotopique), mais d’une manière différente que dans le cas linéaire.

En d’autres termes, la (basse) température critique d’une substance peut changer considérablement selon les différentes masses atomiques.

En revanche, lorsque les interactions électron-phonon sont fortes, nous obtenons la formation de dipôles quantiques, qui peuvent devenir supraconducteurs à une température déterminée par leur masse effective et leur densité.

En dessous de la température critique, les condensateurs bipolaires quantiques peuvent se déplacer librement sans perturber le cristal. Plus de mouvement conduit à un état supraconducteur, plus stable et ayant une température critique plus élevée. Contrairement au mécanisme linéaire, la masse dipolaire quantique n’est que légèrement améliorée par le couplage, ce qui permet des températures critiques plus élevées.

« Notre travail montre que ce mécanisme permet des températures de transition plus élevées, au moins pour un couplage fort. Ce qui est également positif, c’est que ce mécanisme ne nécessite aucune condition préalable particulière pour être efficace, et il existe des conditions tout à fait réalistes dans lesquelles il sera dominant », a-t-il déclaré. expliqué. Dr Volkov.

« Sur la base des constantes physiques fondamentales liées aux solides, une estimation optimiste de la température critique pouvant être atteinte par ce mécanisme pourrait être de l’ordre de 100 K », a prédit Hahn.

Travail futur

« Une implication possible, tout d’abord, serait une augmentation de la température de transition de la supraconductivité. La supraconductivité dépend également de manière sensible des propriétés des électrons ; par conséquent, pour obtenir un couplage fort, nous proposons l’utilisation de super-réseaux spécialement conçus pour les électrons. » Le Dr Volkov a expliqué.

Les chercheurs affirment que la prochaine étape, en théorie, consisterait à trouver le régime optimal de force de couplage pour la supraconductivité. Les chercheurs espèrent également que les expérimentateurs exploreront les matériaux de super-réseau présentant de grands couplages électron-phonon quadratiques.

« Expérimentalement, la création de super-réseaux via la structuration ou l’utilisation d’interfaces entre des matériaux torsadés pourrait être une voie prometteuse pour atteindre le type de supraconductivité auquel nous nous attendons », a déclaré le Dr Volkov.

Hahn a également noté qu ‘ »il est important d’identifier les matériaux présentant de grands couplages électron-phonon quadratiques grâce à des calculs préliminaires, car cela n’a pas été systématiquement exploré ».