🔬 physique

Direct real-space imaging of sign-reversal superconducting state by scanning Josephson tunneling

En utilisant la microscopie à effet tunnel Josephson à balayage, des chercheurs ont directement imagé des modulations périodiques de demi-maille dans des films monocouches de Fe(Te,Se) qui confirment une symétrie d'appariement d'onde d, sans nœuds et avec inversion de signe, surmontant ainsi les limitations précédentes liées à la détermination des mécanismes d'appariement complexes des supraconducteurs à base de fer.

Auteurs originaux : Tianheng Wei, Yanzhao Liu, Wei Ren, Zhen Liang, Ziqiang Wang, Jian Wang

Publié 2026-10-30

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Tianheng Wei, Yanzhao Liu, Wei Ren, Zhen Liang, Ziqiang Wang, Jian Wang

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Au cœur des matériaux les plus mystérieux de la physique se trouve une question simple : comment les électrons s'associent-ils pour circuler sans résistance ? Dans de nombreux supraconducteurs à haute température, ces paires ne sont pas des jumeaux identiques ; elles ressemblent plutôt à des partenaires se déplaçant dans des directions opposées, un état connu sous le nom de renversement de signe. Déterminer la forme exacte de ce partenariat, ou sa symétrie, est crucial car cela révèle les forces cachées qui lient les électrons entre eux. Pendant des décennies, les scientifiques se sont appuyés sur des expériences à grande échelle pour deviner ces formes, mais ces méthodes estompent souvent les détails fins, un peu comme si l'on essayait de lire un livre à un kilomètre de distance. Le défi a été particulièrement rude pour les supraconducteurs à base de fer, une puissante famille de matériaux où les règles d'appariement sont complexes et où les signaux sont souvent brouillés par la présence de multiples types d'électrons.

Une équipe de chercheurs a maintenant abordé ce problème avec un microscope si puissant qu'il peut voir les atomes individuels, offrant une vue directe de la manière dont ces paires d'électrons se comportent. En utilisant une technique spécialisée appelée microscopie à effet Josephson par effet tunnel, ils ont cartographié l'état supraconducteur d'une seule couche d'un matériau à base de fer cultivée sur une surface cristalline. Au lieu de voir une lueur uniforme de supraconductivité, ils ont découvert un motif frappant de points clairs et sombres qui se répète tous les demi-atomes. Plus important encore, ils ont découvert que le signal des paires d'électrons disparaissait complètement le long de lignes spécifiques reliant les atomes. Cette « ligne zéro » n'est ni un défaut ni une lacune dans le matériau, mais une signature fondamentale de l'annulation des paires d'électrons. Ces découvertes suggèrent fortement que les électrons dans ce matériau sont appariés selon un motif spécifique de renversement de signe appelé onde d nodeless (onde d sans nœud), une forme qui avait été théorisée mais jamais visualisée directement de cette manière.

L'histoire commence par un matériau qui intrigue les scientifiques depuis des années : une couche unique de fer, de tellure et de sélénium, d'un seul atome d'épaisseur, reposant sur une surface de titanate de strontium. Ce film est célèbre pour devenir supraconducteur à des températures relativement élevées, pourtant sa structure interne reste un sujet de débat intense. Pour comprendre ce qui se passe à l'intérieur, les chercheurs avaient besoin d'un outil capable de sonder la phase quantique des paires d'électrons, une propriété qui détermine la façon dont elles se déplacent et interagissent. Ils se sont tournés vers un microscope à effet tunnel équipé d'une pointe revêtue de plomb, un supraconducteur conventionnel. Tandis que cette pointe supraconductrice plane juste au-dessus du film à base de fer, elle forme un pont microscopique, permettant aux paires d'électrons de traverser l'espace par effet tunnel. La force de ce courant tunnel dépend de la façon dont les phases des paires d'électrons de la pointe et du film s'alignent.

Les chercheurs n'ont pas seulement mesuré le courant en un seul point ; ils ont balayé la surface avec la pointe, atome par atome, enregistrant la force du signal tunnel à chaque emplacement. Ce qu'ils ont trouvé fut un paysage de contrastes dramatiques. Le signal était le plus fort aux points médians entre les atomes de fer voisins, mais à mesure que la pointe se déplaçait vers les lignes reliant les atomes de fer les plus proches, le signal chutait brusquement. En fait, le long de ces lignes diagonales, le courant tunnel disparaissait presque entièrement. C'est une observation profonde car la distance entre ces points est incroyablement petite, bien plus petite que la taille typique d'une région supraconductrice. Si le matériau était simplement irrégulier ou si la supraconductivité était parsemée, le signal ne disparaîtrait pas aussi précisément le long de ces lignes géométriques spécifiques. La disparition du signal indique que les paires d'électrons d'un côté de la ligne sont parfaitement désynchronisées par rapport à celles de l'autre côté, provoquant leur annulation par interférence destructrice.

Cette annulation est la preuve irréfutable d'un type spécifique de symétrie d'appariement. Dans le langage de la mécanique quantique, les chercheurs ont découvert que les paires d'électrons changent de signe lorsqu'elles sont réfléchies de part et d'autre de ces lignes diagonales. Ce comportement correspond à la prédiction théorique d'un état d nodeless (onde d sans nœud), où la fonction d'appariement possède une forme spécifique qui inverse son signe sous certaines rotations et réflexions. L'équipe a confirmé que ce motif n'est pas un artefact de leur équipement ou de la composition spécifique du matériau en testant d'autres supraconducteurs. Lorsqu'ils ont effectué la même expérience sur un supraconducteur conventionnel fait de plomb, le signal restait uniforme, ne montrant aucune annulation de ce type. Lorsqu'ils ont observé une version massive du matériau à base de fer, qui est connue pour avoir une structure d'appariement différente, le signal était également uniforme. Cependant, lorsqu'ils ont testé un autre film à base de fer, ainsi qu'un célèbre supraconducteur à base de cuivre, tous deux connus pour avoir une symétrie d, ils ont observé le même signal disparaissant le long des lignes diagonales.

Les résultats fournissent une image claire, dans l'espace réel, de l'état supraconducteur de ces films à base de fer. Les chercheurs soutiennent que les paires d'électrons dans ce matériau monocouche ne suivent pas le schéma simple et uniforme observé dans de nombreux autres supraconducteurs à base de fer. Au lieu de cela, elles sont verrouillées dans une danse complexe de renversement de signe qui crée ces lignes de signal nul. Cette découverte soutient l'idée que la supraconductivité à haute température dans ces films provient d'un type d'appariement spécifique qui n'était auparavant qu'une hypothèse. En visualisant directement l'interférence des paires d'électrons à l'échelle atomique, l'étude offre une nouvelle façon de comprendre les mécanismes de la supraconductivité. Elle suggère que la clé pour percer les secrets de ces matériaux réside dans l'observation des subtiles annulations et alignements des paires d'électrons là où elles résident, plutôt que de les moyenner sur une grande zone. Ce travail ouvre la voie à l'exploration d'autres supraconducteurs exotiques avec ce même niveau de détail, révélant potentiellement les règles cachées qui régissent la manière dont la matière conduit l'électricité sans perte.

Résumé technique : Imagerie directe en espace réel de l'état supraconducteur à inversion de signe par effet Josephson par balayage tunnel

Problématique et motivation
Déterminer la symétrie d'appariement supraconducteur est une étape fondamentale pour identifier le mécanisme de la supraconductivité non conventionnelle à haute température critique. Bien que les expériences de tunnel Josephson sensibles à la phase aient établi avec succès la symétrie d'onde $d$ dans les cuprates à haute $T_c$ , l'application de ces méthodes aux supraconducteurs à base de fer (FeSCs) s'est avérée difficile. Dans les FeSCs, la complexité des symétries d'appariement multibandes et les défis liés à la fabrication de jonctions Josephson macroscopiques de haute qualité et homogènes ont limité les études sensibles à la phase, particulièrement pour les systèmes fortement dopés comme les monocouches de FeSe et de films de Fe(Te,Se) sur SrTiO $_3$ (STO). Ces films monocouches spécifiques ne possèdent que des poches de Fermi électroniques et présentent les températures de transition les plus élevées parmi les FeSCs, pourtant leur symétrie d'appariement fait débat, les candidats allant de l'onde $s$ à l'onde $d$ à inversion de signe. Les expériences de tunnel traditionnelles manquent de la résolution spatiale et de moment nécessaire pour distinguer sans ambiguïté ces candidats dans de tels systèmes multibandes.

Méthodologie
Pour répondre à ces limitations, les auteurs ont employé la microscopie à effet Josephson par balayage (SJTM), une technique utilisant une pointe supraconductrice pour former une jonction Josephson microscopique spatialement ajustable avec l'échantillon. Contrairement aux jonctions macroscopiques, la SJTM évite les problèmes d'inhomogénéité et offre une résolution spatiale subatomique. Les expériences ont été menées sur des films de Fe(Te,Se)/STO de haute qualité d'une épaisseur d'une seule unité de maille (1-UC) par croissance par épitaxie par jets moléculaires (MBE). Les mesures ont été effectuées à des températures ultra-basses (inférieures à 150 mK) en utilisant une pointe de PtIr revêtue de Pb (symétrie d'onde $s$ ).

L'étude s'est concentrée sur la mesure de la conductance de tunnel Josephson à biais nul ( $g_J$ ), qui est proportionnelle au carré du courant critique Josephson ( $I_c^2$ ). En balayant la pointe à travers le réseau atomique, les auteurs ont cartographié la distribution spatiale de $g_J$ et l'ont comparée aux spectres de tunnel à particule unique et à la topographie atomique. Pour valider la robustesse de la technique, des mesures similaires ont été effectuées sur un ensemble diversifié d'échantillons de contrôle : une monocouche de FeSe/STO, du Fe(Te,Se) massif, un film de Pb (onde $s$ conventionnelle) sur Si(111), et le cuprate Bi $_2$ Sr $_2$ CaCu $_2$ O $_{8+x}$ .

Résultats clés

Modulations périodiques de demi-unité de maille : Dans le film de Fe(Te,Se)/STO de 1-UC, le signal de tunnel Josephson ( $g_J$ ) a présenté une modulation spatiale distincte avec une période égale à la moitié de la constante de réseau ( $a_{Te/Se}/2$ ). Le signal était maximal aux points médians des liaisons Fe-Fe de plus proches voisins, mais disparaissait presque totalement le long des lignes reliant les atomes de Fe de plus proches voisins.
Lignes de zéro protégées par la symétrie : Les lignes de $g_J$ nul coïncidaient précisément avec les plans de miroir diagonaux ( $m_d$ ) du réseau cristallin. Ce phénomène de « ligne de zéro » a été observé de manière cohérente à travers différentes conditions de montage et avec différentes pointes, indiquant qu'il s'agit d'une propriété intrinsèque de l'état supraconducteur.
Contraste avec les échantillons de contrôle :
- Monocouche de FeSe/STO : A montré des modulations similaires de demi-unité de maille avec des lignes de zéro, suggérant une symétrie d'appariement universelle pour les FeSCs monocouches fortement dopés en électrons.
- Cuprate Bi $_2$ Sr $_2$ CaCu $_2$ O $_{8+x}$ : A présenté des modulations analogues avec des lignes de zéro le long des lignes diagonales Cu-Cu, ce qui est cohérent avec sa symétrie d'onde $d_{x^2-y^2}$ connue.
- Fe(Te,Se) massif et Pb/Si(111) : Ces deux supraconducteurs à onde $s$ conventionnels (Fe(Te,Se) massif avec symétrie $s_{\pm}$ et Pb avec une onde $s$ simple) ont présenté des cartes de $g_J$ relativement uniformes sans modulations sub-unité de maille ni lignes de zéro.
Spectres à particule unique : Les spectres de tunnel à particule unique mesurés avec une pointe métallique ont révélé un gap supraconducteur pleinement ouvert (>10 meV) à toutes les positions atomiques, excluant la possibilité que les lignes de zéro dans $g_J$ soient causées par des fermetures locales de gap ou une densité de superfluide inhomogène.

Interprétation et analyse théorique
Les auteurs interprètent la disparition de $g_J$ le long des plans de miroir diagonaux comme le résultat d'une interférence quantique destructrice entre les canaux de tunnel Josephson provenant de différentes poches de Fermi. Puisque la pointe est un supraconducteur d'onde $s$ , la symétrie du courant critique $I_c$ est déterminée par la fonction d'appariement de l'échantillon.

L'observation que $I_c$ change de signe sous la réflexion de miroir diagonale ( $\sigma_d$ ) mais reste pair sous la réflexion de miroir verticale ( $\sigma_v$ ) est mathématiquement cohérente avec une symétrie d'appariement d'onde $d$ sans nœuds (spécifiquement la représentation $B_{2g}$ ).
Dans ce scénario, les paramètres d'ordre supraconducteur sur les deux poches de Fermi électroniques (dérivées des orbitales $xz/xy$ et $yz/xy$) ont des signes opposés. Lorsque la pointe est positionnée sur le plan de miroir diagonal, les amplitudes de tunnel de ces deux poches interfèrent de manière destructive, entraînant le courant critique net vers zéro.
Des calculs théoriques basés sur des modèles de bandes étroites et une analyse de symétrie ont confirmé que seul l'état d'onde $d$ sans nœuds reproduit le motif de modulation sub-unité de maille et les lignes de zéro observés. Les scénarios d'onde $s_{\pm}$ étendue ou d'onde $s$ simple ont été montrés comme incompatibles avec les données car ils ne possèdent pas la protection de symétrie nécessaire pour créer de telles lignes de zéro.

Signification
L'article affirme fournir la première visualisation microscopique en espace réel de la supraconductivité à inversion de signe dans un supraconducteur à base de fer monocouche. En démontrant que la SJTM peut résoudre l'information de phase sub-unité de maille et distinguer les symétries d'onde $d$ et d'onde $s$ à l'échelle atomique, ce travail offre une approche expérimentale sensible à la phase robuste qui ne nécessite pas la fabrication de jonctions macroscopiques complexes. Cette technique est présentée comme une méthode viable pour étudier les mécanismes d'appariement dans d'autres systèmes supraconducteurs non conventionnels, incluant les FeSCs fortement dopés, les cuprates, les systèmes à fermions lourds et les supraconducteurs de moiré. Les résultats soutiennent la prédiction théorique que les FeSCs monocouches fortement dopés en électrons hébergent un état d'onde $d$ sans nœuds, distinct de l'état $s_{\pm}$ trouvé dans leurs homologues massifs.

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