Heterogeneous superconductivity emerging from a charge-stripe state in kagome lattices

Dans le monde de la science des matériaux, les électrons suivent généralement un scénario prévisible. Ils circulent à travers les métaux comme l'eau dans une rivière, ou s'associent par paires et se déplacent en un pas parfaitement synchronisé pour créer la supraconductivité, un état où l'électricité circule avec une résistance nulle. Pendant des décennies, les physiciens ont cru que la supraconductivité et un autre état électronique appelé onde de densité de charge étaient des ennemis naturels. Une onde de densité de charge est un motif où les électrons s'organisent en ondulations statiques, se figeant en une structure rigide. L'ancienne règle était simple : si les électrons sont occupés à former ces ondulations, ils ne peuvent pas s'associer pour devenir supraconducteurs, et vice versa. Ils sont en compétition pour les mêmes électrons, et un ordre l'emporte généralement sur l'autre, l'évincant ainsi. Cependant, des découvertes récentes ont montré que la nature est plus complexe que cette simple rivalité. Dans certains matériaux, ces deux états peuvent coexister, et leur interaction peut créer des comportements entièrement nouveaux et inattendus qui remettent en question notre compréhension du fonctionnement de la matière au niveau quantique.

Des chercheurs ont maintenant découvert un exemple frappant de cette complexité dans une famille de cristaux connus sous le nom de supraconducteurs de kagomé. Ces matériaux tirent leur nom de leur structure interne, qui ressemble à un motif de panier tissé composé de triangles. En ajoutant soigneusement une petite quantité d'atomes d'étain pour remplacer certains des atomes d'antimoine dans le cristal, une équipe de scientifiques dirigée par des chercheurs de l'Université de Science et Technologie de Chine a observé un changement spectaculaire dans le comportement du matériau. Ils ont découvert que lorsque le cristal entre dans une phase spécifique où les électrons forment des motifs courts, semblables à des rayures, la supraconductivité ne disparaît pas simplement ou ne s'affaiblit pas de manière uniforme. Au lieu de cela, elle devient une mosaïque. Dans cet état, la supraconductivité émerge dans de petites îles isolées qui grandissent et finissent par se connecter pour former un chemin à travers le matériau, tandis qu'une partie significative des électrons reste non appariée et normale, même profondément à l'intérieur de l'état supraconducteur.

Le voyage vers cette découverte a commencé par la croissance de cristaux de haute qualité du matériau, un composé appelé CsV3Sb5, et par le remplacement systématique d'une petite fraction de ses atomes par de l'étain. Les scientifiques ont cartographié la façon dont le matériau changeait à mesure qu'ils augmentaient la quantité d'étain. Ils ont découvert qu'à un point très précis, lorsqu'environ sept pour cent des atomes d'antimoine étaient remplacés, la nature des motifs électroniques changeait brusquement. Avant ce point, les électrons formaient un grand motif répétitif à travers tout le cristal. Juste après ce point, le motif se brisait en de courtes rayures localisées. Coïncidant avec ce changement, la température à laquelle le matériau devenait supraconducteur chutait brutalement. Mais la découverte la plus surprenante n'était pas seulement la chute de température, mais la façon étrange dont la supraconductivité se comportait dans cette nouvelle phase de rayures.

Lorsque les scientifiques ont mesuré la résistance électrique et les propriétés magnétiques de ces échantillons en phase de rayures, ils ont observé un décalage clair. Le matériau commençait à montrer des signes de supraconductivité, tels que le rejet de champs magnétiques, à une température bien plus élevée qu'il ne commençait réellement à conduire l'électricité sans résistance. Cet écart suggérait que la supraconductivité ne se produisait pas partout à la fois. Au lieu de cela, de petits poches de matériau supraconducteur se formaient tôt, flottant dans une mer de métal normal, non supraconducteur. À mesure que la température chutait davantage, ces poches grandissaient et finissaient par se lier, comme des îles fusionnant pour former un continent, permettant à l'électricité de circuler librement à travers tout l'échantillon. Ce processus, connu sous le nom de percolation, expliquait pourquoi la transition était si large et pourquoi le matériau se comportait différemment selon la manière dont le courant était injecté.

Pour voir directement cette mosaïque, les chercheurs ont utilisé un microscope puissant appelé microscope à effet tunnel, capable d'imager les atomes individuels et de mesurer l'énergie des électrons à des endroits spécifiques. Ils ont découvert que la taille du gap supraconducteur — la plage d'énergie où les électrons sont verrouillés en paires — variait considérablement d'un endroit à l'autre à travers la surface du cristal. Dans certaines zones, le gap était large et bien défini ; dans d'autres, il était plus petit et diffus. Crucialement, cette variation ne correspondait pas à la distribution des atomes d'étain. Les atomes d'étain étaient répartis uniformément, donc l'irrégularité de la supraconductivité n'était pas causée par les impuretés elles-mêmes. Au lieu de cela, la variation était liée aux rayures électroniques à courte portée. Le microscope a révélé que les électrons étaient diffusés par ces rayures d'une manière qui brisait les paires supraconductrices, mais seulement dans certaines régions, créant un paysage de supraconductivité forte et faible.

L'aspect peut-être le plus déroutant de cet état était la présence d'un grand nombre d'électrons non appariés, ou « fluide normal », même lorsque le matériau était supraconducteur. Dans un supraconducteur typique, presque tous les électrons s'associent en paires en dessous d'une certaine température. Ici, cependant, les mesures ont montré qu'une fraction substantielle d'électrons, environ un tiers à deux tiers selon l'échantillon, restait non appariée et active même aux températures les plus basses. Ces électrons non appariés n'étaient pas de simples restes aléatoires ; ils étaient concentrés sur des chemins spécifiques au sein de la structure électronique du matériau, qui étaient directement liés aux motifs de rayures. Les chercheurs ont conclu que les rayures à courte portée agissaient comme une source de diffusion intense, brisant les paires d'électrons d'une manière qui est interdite dans les supraconducteurs conventionnels, mais qui est une caractéristique d'un type de couplage plus exotique où le signe de l'onde électronique change.

L'étude écarte plusieurs explications plus simples pour ce comportement. L'irrégularité de la supraconductivité n'était pas causée par l'agglomération des atomes d'étain ou par une contrainte dans le réseau cristallin, car la distribution de l'étain était uniforme et l'effet disparaissait lorsque le motif de rayures disparaissait. Il ne s'agissait pas non plus d'un cas où le matériau se séparait simplement en deux phases distinctes de supraconducteur et de métal. Au lieu de cela, les preuves pointent vers un état unique et unifié où la supraconductivité est intrinsèquement fragile et spatialement variable en raison de son interaction avec les rayures de charge. Cette découverte suggère que les électrons dans ces matériaux de kagomé forment des paires d'une manière complexe et non conventionnelle, impliquant probablement un changement de signe de leur fonction d'onde quantique, ce qui les rend extrêmement sensibles à la présence des rayures.

Ce travail offre un aperçu rare d'un état de la matière où la supraconductivité et l'ordre de charge ne font pas que rivaliser, mais coopèrent pour créer une réalité hétérogène et fragmentée. Cela remet en question la vision de longue date selon laquelle la supraconductivité doit être un état uniforme et binaire, et montre que, dans les bonnes conditions, elle peut émerger sous la forme d'une collection d'îles connectées. En identifiant ce comportement unique dans un matériau relativement simple et bien compris, les chercheurs ont ouvert une nouvelle fenêtre sur la physique de la supraconductivité non conventionnelle. Leurs résultats suggèrent que l'interaction entre différents ordres électroniques peut mener à des phénomènes riches et inattendus, offrant une nouvelle plateforme pour explorer les mécanismes fondamentaux qui régissent l'appariement et le flux des électrons sans résistance.