Les scientifiques ont un premier regard direct sur la façon dont les électrons «dansent» avec des atomes vibrants

Anonim

Des scientifiques du Laboratoire national d’accélération SLAC du Département de l’énergie et de l’Université de Stanford ont réalisé les premières mesures directes, et de loin les plus précises, sur la synchronisation des électrons avec les vibrations atomiques dans un matériau exotique. même battement.

Les vibrations sont appelées phonons, et le couplage électron-phonon mesuré par les chercheurs était 10 fois plus fort que ce que la théorie avait prédit - le rendant suffisamment puissant pour jouer un rôle dans la supraconductivité non conventionnelle..

De plus, l'approche qu'ils ont développée donne aux scientifiques une manière totalement nouvelle et directe d'étudier un large éventail de matériaux «émergents» dont les propriétés surprenantes émergent du comportement collectif des particules fondamentales, telles que les électrons. La nouvelle approche étudie ces matériaux à travers des expériences uniquement, plutôt que de s'appuyer sur des hypothèses basées sur la théorie.

Les expériences ont été réalisées avec le laser à électrons libres à rayons X à source de lumière cohérente Linac (SLAC) et avec une technique appelée spectroscopie à photoémission à résolution angulaire (ARPES) sur le campus de Stanford. Les chercheurs ont décrit l'étude aujourd'hui dans Science.

Une approche «révolutionnaire»

"Je pense que ce résultat aura plusieurs impacts", a déclaré Giulia Galli, professeur à l'Institut d'ingénierie moléculaire de l'Université de Chicago et chercheur principal au Laboratoire national d'Argonne du DOE, qui n'a pas participé à l'étude.

"Bien sûr, ils ont appliqué la méthode à un matériel très important, que tout le monde essayait de comprendre et de comprendre, et c’est formidable", at-elle déclaré. "Mais le fait qu’ils montrent qu’ils sont capables de mesurer l’interaction électron-phonon, qui est si importante dans tant de matériaux et de processus physiques, est une avancée décisive qui ouvrira la voie à de nombreuses autres expériences sur beaucoup d’autres. matériaux."

La capacité à faire cette mesure, a-t-elle ajouté, permettra aux scientifiques de valider les théories et les calculs qui décrivent et prédisent la physique de ces matériaux d'une manière qu'ils n'ont jamais été en mesure de faire auparavant.

"Ces mesures de précision nous donneront un aperçu de la manière dont se comportent ces matériaux", a déclaré Zhi-Xun Shen, professeur au SLAC et à Stanford et chercheur à l'Institut des sciences des matériaux et de l'énergie de Stanford (SIMES).

Des films extraordinairement précis

L'équipe a utilisé le LCLS du SLAC pour mesurer les vibrations atomiques et l'ARPES pour mesurer l'énergie et la quantité de mouvement des électrons dans un matériau appelé séléniure de fer. La combinaison de ces deux techniques leur a permis d'observer un couplage électron-phonon avec une précision extraordinaire, sur une échelle de temps de femtosecondes (millionièmes de milliardième de seconde) et à environ un milliardième de la largeur d'un cheveu humain.

"Nous avons pu réaliser un film en utilisant l'équivalent de deux caméras pour enregistrer les vibrations atomiques et les mouvements d'électrons, et montrer qu'elles bougeaient en même temps, comme deux ondes stationnaires superposées", a déclaré le co-auteur. Shuolong Yang, chercheur postdoctoral à l'Université Cornell.

"Ce n'est pas un film au sens ordinaire des images que vous pouvez regarder sur un écran", a-t-il déclaré. "Mais il capture les mouvements des phonons et des électrons dans les images prises 100 milliards de fois par seconde, et nous pouvons en assembler une centaine comme les images de films pour avoir une image complète de leur lien."

Le séléniure de fer qu'ils ont étudié est un matériau curieux. Il est connu pour conduire l'électricité sans perte, mais seulement à des températures extrêmement froides, et d'une manière qui ne pourrait pas être entièrement expliquée par des théories établies; c'est pourquoi on l'appelle un supraconducteur non conventionnel.

Poursuivre un indice intriguant

Mais il y a cinq ans, un groupe de recherche chinois a fait une observation intrigante: lorsqu'une couche mince de séléniure de fer est déposée sur un autre matériau appelé STO, nommé en raison de ses principaux composants: strontium, titane et oxygène. 8 degrés à 60 degrés au-dessus du zéro absolu ou moins 213 degrés Celsius. Bien que ce soit encore très froid, sa température est beaucoup plus élevée que celle attendue par les scientifiques et se situe dans la plage de fonctionnement des supraconducteurs à haute température, dont la découverte en 1986 a déclenché une frénésie de recherche en raison de son impact révolutionnaire. des émetteurs électriques efficaces pourraient avoir sur la société.

Suite à cet indice, le groupe de Shen a examiné la même combinaison de matériaux avec ARPES. Dans un article de 2014 dans Nature, ils ont conclu que les vibrations atomiques dans la STO remontent dans le séléniure de fer et donnent aux électrons l'énergie supplémentaire dont ils ont besoin pour se coupler et transporter l'électricité sans perte à des températures plus élevées.

Cela suggère que les scientifiques pourraient atteindre des températures supraconductrices maximales plus élevées en modifiant simultanément un certain nombre de variables, telles que la nature du substrat sous un film supraconducteur.

Mais ce couplage de vibrations atomiques et le comportement collaboratif des électrons pourraient-ils également se produire dans le séléniure de fer seul, sans un coup de pouce d’un substrat? C'est ce que l'étude actuelle visait à découvrir.

Comme taper une cloche avec un marteau

L'équipe de Shen a fabriqué un film de séléniure de fer plus uniforme et atomiquement plus épais et l'a frappé avec une lumière laser infrarouge pour exciter ses vibrations atomiques de 5 trillions de fois - comme tapoter doucement une cloche avec un petit marteau. Patrick Kirchmann a déclaré. Cela a permis aux vibrations d'osciller en synchronisation les unes avec les autres tout au long du film, afin qu'elles puissent être observées plus facilement.

L'équipe a ensuite mesuré les vibrations atomiques du matériau et le comportement des électrons dans deux expériences distinctes. Yang, qui était un étudiant diplômé de Stanford à l'époque, a dirigé la mesure de l'ARPES. Simon Gerber, chercheur postdoctoral dans le groupe de Shen, a dirigé les mesures LCLS au SLAC; Depuis, il a rejoint le SwissFEL à l'Institut Paul Scherrer en Suisse en tant que scientifique.

La nouvelle étude ne prouve pas que le couplage des vibrations atomiques et électroniques a été responsable de l'augmentation de la température supraconductrice du séléniure de fer dans les études précédentes, a déclaré Kirchmann. Cependant, la combinaison des observations des lasers à rayons X et de l'ARPES devrait fournir des informations nouvelles et plus sophistiquées sur la physique des systèmes matériels où plusieurs facteurs sont en jeu simultanément et, espérons-le, faire avancer le champ plus rapidement.

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