2024-01-20 13:48:36
Les passages d’un état supraconducteur à un état résistif en deux dimensions offrent une plate-forme précieuse pour explorer les transitions de phase quantiques continues et les phénomènes critiques.
Les physiciens de Princeton ont observé un changement brusque du comportement quantique en travaillant avec un isolant mince de trois atomes qui peut être facilement transformé en supraconducteur. Cette découverte peut améliorer notre compréhension de la physique quantique des solides et faire progresser l’étude de la physique quantique de la matière condensée et de la supraconductivité dans de nouvelles directions.
La recherche s’est concentrée sur l’arrêt soudain ou la « mort » des fluctuations de la mécanique quantique, révélant des comportements et des propriétés quantiques uniques au-delà des théories établies. L’étude met en lumière les changements de températures proches du zéro absolu dans un supraconducteur.
En examinant directement les fluctuations quantiques à proximité de la transition, les chercheurs ont trouvé des preuves claires d’une nouvelle transition de phase quantique qui désobéit aux descriptions théoriques standard connues dans le domaine. Après avoir compris ce phénomène, les scientifiques pensent qu’il existe une réelle possibilité qu’une nouvelle théorie passionnante émerge.
Dans le monde physique, les transitions de phase se produisent lorsqu’un matériau passe d’un état à un autre, par exemple d’un liquide à un gaz ou d’un solide à un liquide. Cependant, les transitions de phase quantique se produisent à des températures extrêmement basses, proches du zéro absolu, et impliquent l’ajustement continu d’un paramètre externe sans augmenter la température.
Les scientifiques souhaitent vivement comprendre comment les transitions de phase quantique se manifestent dans les supraconducteurs. Ces matériaux conduisent l’électricité sans résistance, car ils jouent un rôle crucial dans l’avancement des technologies telles que le traitement de l’information et les applications magnétiques dans les soins de santé et les transports.
Sanfeng Wu, professeur adjoint de physique à l’Université de Princeton, a déclaré : « La manière dont une phase supraconductrice peut être transformée en une autre phase est un domaine d’étude fascinant. Et nous nous intéressons depuis un certain temps à ce problème dans les matériaux atomiquement minces, propres et monocristallins.
Nai Phuan Ong, professeur de physique Eugene Higgins à l’Université de Princeton et auteur de l’article, a déclaré : «Cela est dû au fait que, à mesure que vous descendez dans des dimensions inférieures, les fluctuations deviennent si fortes qu’elles ‘tuent’ toute possibilité de supraconductivité.»
Les scientifiques étudient activement comment perturber la supraconductivité bidimensionnelle sans augmenter la température. Les transitions de phase quantique, induites par des fluctuations quantiques à des températures proches du zéro absolu, sont passionnantes dans ce contexte.
Dans leurs recherches, les physiciens de Princeton ont utilisé du ditellurure de tungstène (WTe2), initialement sous forme massive, et l’ont progressivement exfolié pour créer un matériau bidimensionnel. Le matériau s’est transformé en un isolant puissant sous sa forme monocouche, affichant des comportements quantiques uniques tels que la commutation entre les phases isolantes et supraconductrices.
Pour contrôler ce comportement de commutation, les chercheurs ont développé un dispositif ressemblant à un interrupteur « marche/arrêt ».
Après avoir converti le ditellurure de tungstène en un matériau bidimensionnel, les chercheurs l’ont soumis à deux conditions critiques. Tout d’abord, ils ont refroidi le matériau à des températures extrêmement basses, environ 50 milliKelvin (-273,10 degrés Celsius ou -459,58 degrés Fahrenheit). À des températures aussi basses, les effets de la mécanique quantique deviennent dominants.
Tiancheng Song, chercheur postdoctoral en physique et auteur principal de l’article, a déclaré : « Les scientifiques ont transformé le matériau isolant en supraconducteur en introduisant des électrons supplémentaires dans le matériau. Il n’a pas fallu beaucoup de tension pour atteindre l’état supraconducteur. Une infime quantité de tension de grille peut transformer le matériau d’un isolant en un supraconducteur.
«C’est un effet remarquable.»
Les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient manipuler avec précision les caractéristiques de supraconductivité en modifiant la densité électronique du matériau à l’aide de la tension de grille. À une densité électronique critique, la prolifération des vortex quantiques perturbe rapidement la supraconductivité, conduisant à la transition de phase quantique.
Pour identifier la présence de ces vortex quantiques, les chercheurs ont induit un léger gradient de température sur l’échantillon, créant une situation dans laquelle un côté du ditellurure de tungstène était légèrement plus chaud que l’autre.
Ong a dit : « Les tourbillons recherchent le bord le plus froid. Dans le gradient de température, tous les vortex de l’échantillon dérivent vers la partie la plus froide, vous avez donc créé une rivière de vortex s’écoulant de la partie la plus chaude vers la partie la plus froide.
Le mouvement des vortex crée un signal de tension mesurable dans un supraconducteur. C’est ce qu’on appelle l’effet Josephson, du nom du physicien Brian Josephson, lauréat du prix Nobel. Selon la théorie de Josephson, lorsqu’un flux de vortex traverse une ligne tracée entre deux contacts électriques, il génère une faible tension transversale. Cette tension peut être détectée par un nanovoltmètre.
Ong a dit : « Nous pouvons vérifier qu’il s’agit bien de l’effet Josephson ; si vous inversez le champ magnétique, la tension détectée s’inverse.
Wu a dit : « C’est une signature particulière d’un courant vortex. La détection directe de ces vortex en mouvement nous donne un outil expérimental pour mesurer les fluctuations quantiques dans l’échantillon, ce qui serait autrement difficile à réaliser.
Les chercheurs ont été surpris par deux phénomènes inattendus. Premièrement, les vortex ont fait preuve d’une robustesse remarquable, persistant à des températures et des champs magnétiques plus élevés que prévu. Ils ont survécu à des températures et des champs bien supérieurs à la phase supraconductrice, même dans la phase résistive du matériau.
Le signal du vortex a brusquement disparu lorsque la densité électronique a été réglée juste en dessous de la valeur critique, représentant le point critique quantique (QCP). À température nulle dans un diagramme de phase, ce point est l’endroit où les fluctuations quantiques conduisent à la transition de phase.
Wu a dit : « Nous nous attendions à ce que de fortes fluctuations persistent en dessous de la densité électronique critique du côté non supraconducteur, tout comme les fortes fluctuations observées bien au-dessus de la température de transition BKT. Pourtant, nous avons constaté que les signaux du vortex disparaissent « soudainement » lorsque la densité électronique critique est franchie. Et ce fut un choc. Nous ne pouvons pas du tout expliquer cette observation, la « mort subite » des fluctuations.»
Ong ajouté, «Nous avons découvert un nouveau type de point critique quantique, mais nous ne le comprenons pas.»
En physique de la matière condensée, deux théories établies expliquent actuellement les transitions de phase d’un supraconducteur, la théorie de Ginzburg-Landau et la théorie BKT. Cependant, les chercheurs ont constaté qu’aucune des deux théories n’explique les phénomènes observés.
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