Supraconductivité à haute température : exploration du couplage quadratique électron-phonon

Une nouvelle étude publiée dans Lettres d'examen physique (PRL) explore le potentiel du couplage quadratique électron-phonon pour améliorer la supraconductivité grâce à la formation de bipolarons 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 (conductance 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 des phonons, c'est-à-dire l'intensité des vibrations du réseau. Le cas le plus couramment considéré est celui où la densité électronique se couple linéairement aux déplacements du réseau, provoquant une distorsion du réseau autour de chaque électron.

Les chercheurs voulaient étudier si la supraconductivité pouvait être améliorée pour les matériaux présentant un couplage quadratique, c'est-à-dire lorsque l'énergie d'interaction est proportionnelle au carré du déplacement du phonon.

Phys.org s'est entretenu avec les co-auteurs de l'étude, Zhaoyu Han, titulaire d'un doctorat. 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 cette recherche, Han a déclaré: “C'était l'un de mes rêves d'identifier et de proposer de nouveaux mécanismes qui pourraient aider à atteindre la supraconductivité à haute température.”

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

Le couplage linéaire et ses défis pour la supraconductivité

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

Le couplage linéaire fait référence au scénario dans lequel le couplage est proportionnel au déplacement des phonons. D'autre part, le couplage quadratique dépend du carré du déplacement du phonon.

Ils peuvent être identifiés en étudiant la symétrie du matériau, les observations expérimentales et les cadres théoriques. Leurs implications pour la supraconductivité semblent cependant très différentes.

Le couplage linéaire, observé dans la plupart des matériaux supraconducteurs, est largement étudié en raison de sa prévalence dans de nombreux matériaux et dispose d'un 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 le matériau peut présenter une supraconductivité.

Han a expliqué : « Les températures critiques pour 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 de la paire Cooper et l'énergie cinétique sont supprimées de manière exponentielle dans les régimes de couplage faible et fort, respectivement. »

En couplage faible, les interactions électron-phonon sont faibles en raison de la faible énergie de liaison. En cas de couplage fort, les interactions sont plus fortes, conduisant à une masse effective plus élevée des paires de Cooper, supprimant ainsi 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 avec un couplage électron-phonon quadratique, qui ne sont pas aussi bien compris.

Modèle Holstein et bipolarons 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 générique du couplage linéaire électron-phonon.

Les chercheurs ont étendu le modèle Holstein pour intégrer le couplage quadratique électron-phonon dans leur étude.

Le modèle Holstein permet de 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 du couplage augmente avec l'amplitude des vibrations du réseau. Cette interaction peut être comprise à l’aide des principes de physique classique et est bien étayée par des observations expérimentales telles que les effets isotopiques.

Dans le cas d’un couplage quadratique, c’est totalement différent. En étendant le modèle Holstein pour incorporer la dépendance du second ordre du couplage au déplacement des phonons, les chercheurs tiennent compte des fluctuations quantiques (mouvement aléatoire) des phonons et de l'énergie du point zéro (l'énergie des phonons à 0 Kelvin).

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

Supraconductivité en limite de couplage faible et forte

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. Cela conduit à une température critique 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 du matériau peut changer considérablement en fonction des différentes masses atomiques.

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

En dessous de la température critique, le condensat des bipolarons quantiques peut se déplacer librement sans perturber le cristal. Une plus grande mobilité conduit à un état supraconducteur, plus stable et ayant une température critique plus élevée. Contrairement au mécanisme linéaire, la masse du bipolaron quantique n’est que légèrement améliorée par le couplage, ce qui permet des températures critiques plus élevées.

“Notre travail démontre 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 fonctionner, et il existe des conditions tout à fait réalistes dans lesquelles il sera dominant”, a expliqué Dr Volkov.

Han a prédit : « Sur la base des constantes physiques fondamentales pertinentes pour les matériaux solides, une estimation optimiste de la température critique pouvant être atteinte par ce mécanisme peut être de l'ordre de 100 Kelvin. »

Travail futur

“L'implication potentielle serait avant tout une augmentation de la température de transition supraconductrice. La supraconductivité dépend également de manière sensible des propriétés des électrons. Ainsi, pour obtenir un couplage fort, nous proposons d'utiliser des super-réseaux spécialement conçus pour les électrons”, a expliqué le Dr Volkov.

Les chercheurs mentionnent qu’en théorie, la prochaine étape 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 avec 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 réaliser le type de supraconductivité que nous avions prédit”, a déclaré le Dr Volkov.

Han a également souligné: “Il est crucial d'identifier les matériaux présentant de grands couplages quadratiques électron-phonon à partir de calculs ab initio, car cela n'a pas été systématiquement exploré.”

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