Des doutes sur la supraconductivité multibande ? D33 peut les dissiper !
Une étude récente menée à l'ILL et à la SINQ établit la diffusion de neutrons monochromatiques aux petits angles (DNPA-SANS) comme la méthode de référence incontournable pour caractériser la supraconductivité multibande dans les matériaux.
L'instrument D33 à l'ILL.
Certains matériaux présentent une capacité extraordinaire, la supraconductivité, qui leur permet de conduire le courant électrique sans résistance ni perte d'énergie. Les applications sont cependant limitées par la nécessité de refroidir la plupart des matériaux supraconducteurs à des températures extrêmes. La découverte de la supraconductivité dans le composé binaire relativement simple diborure de magnésium (MgB2) à une température de transition relativement élevée de 39 K (-234,15 °C) a suscité un intérêt considérable en raison de l'existence de plusieurs bandes d'énergie, qui s'écartent du modèle à une seule bande de la théorie conventionnelle. Les matériaux multibandes pourraient-ils ouvrir la voie à de nouveaux supraconducteurs à haute température ?
"Il y avait quelques indices suggérant que le diséléniure de niobium (2H-NbSe2) pourrait également être un supraconducteur multibande, bien qu'un autre groupe de recherche ait récemment rejeté le modèle à deux bandes, argumentant plutôt en faveur d'un modèle à une seule bande anisotrope », explique Ahmed Alshemi, chercheur postdoctoral à l'université de Lund et premier auteur de l'article. « Nous avons décidé d'utiliser la DNPA pour en avoir le cœur net ! "
En effet, la supraconductivité à deux bandes du MgB2 a été démontrée par des expériences de DNPA menées à l'ILL et publiées en 2003 par Robert 'Bob' Cubitt, chercheur à l'ILL. " La DNPA est une technique extrêmement puissante ", explique Cubitt. " Chaque fois qu'un nouveau supraconducteur apparaît, la DNPA est l'une des expériences les plus convaincantes que l'on puisse réaliser. " Le faisceau de neutrons incident est diffusé par l'échantillon et produit une figure de diffraction qui fournit des informations précises sur les symétries microscopiques de l'état supraconducteur en fonction de la température et de l'intensité du champ magnétique.
" Vous obtenez ces pics de Bragg très clairs et distincts, dont les intensités vous fournissent de nombreuses informations cruciales sur ce qui se passe à l'intérieur de ces supraconducteurs ", explique Cubitt. « Bien que certaines caractéristiques puissent être explorées à l'aide d'autres techniques, telles que la microscopie à effet tunnel à balayage, les résultats obtenus sont plus ouverts à l'interprétation, ce qui rend plus difficile l'exclusion d'explications alternatives », précise Elizabeth Blackburn, professeure à l'université de Lund.
Avec le MgB2, nous avons eu un peu de chance car les deux bandes supraconductrices ont des intensités et des formes physiques différentes », explique Cubitt. " Chaque bande est équivalente à un seau d'électrons et l'intensité neutronique que nous observons représente fondamentalement le nombre d'électrons de chaque bande qui contribuent à l'état supraconducteur global. En augmentant le champ magnétique, nous avons pu constater que la contribution d'une bande était supprimée et que la forme du motif résultant changeait, ce qui a rendu l'expérience d'autant plus probante."
Dépendance au champ magnétique de la quantité mesurée FF (facteur de forme du réseau de vortex de premier ordre) mettant en évidence la contribution d'une seconde bande. L'encart à droite montre des exemples de figures de diffraction mesurées sur l'instrument.
Grâce à un échantillon pur et de haute qualité – précédemment utilisé pour des expériences de spectroscopie par Karin Schmalzl et Arno Hiess, scientifiques et responsables d'instruments à l'ILL – la même technique de DNPA a été appliquée au 2H-NbSe2. " Nous avons très rapidement constaté que le 2H-NbSe2 se comportait exactement de la même manière que le MgB2 : il y avait une suppression presque identique d'une bande, ne laissant que la seconde bande contribuer à l'état supraconducteur global ", explique Alshemi. Les résultats ont été confirmés par des données supplémentaires acquises à la Source Suisse de Neutrons Spallation (SINQ), qui ont élargi la gamme de températures et de champs magnétiques étudiés. Les résultats combinés, récemment publiés dans Physical Review Letters, mis en avant comme une " suggestion de l'éditeur " et présentés sur Phys.org, prouvent la supraconductivité à deux bandes du 2H-NbSe2. " Bien que la température de transition du 2H-NbSe2 (6,95 K, -266 °C) soit inférieure à celle du MgB2, nos résultats fournissent une confirmation expérimentale directe de la supraconductivité à deux bandes dans le 2H-NbSe2, ce qui fait progresser notre compréhension de la supraconductivité multibande dans ce matériau et souligne la pertinence plus large de ces phénomènes au-delà des considérations de température de transition élevée ", explique Alshemi.
La démonstration de la supraconductivité à deux bandes dans un second matériau confirme que la DNPA monochromatique est la méthode de référence incontournable pour caractériser la supraconductivité multibande dans un matériau, mettant en avant également la puissance des sources de neutrons continues pour ce domaine de recherche. " À l'ILL, les expériences ont été menées sur l'instrument D33 qui possède deux modes : monochromatique, utilisant une seule longueur d'onde, et temps de vol qui utilise une gamme de longueurs d'onde ", explique Cubitt. " Pour ce type d'expérience, le mode monochromatique permet d'ajuster la longueur d'onde et l'angle des neutrons de telle sorte que chaque neutron contribue aux pics de Bragg. " En revanche, sur des sources de neutrons pulsées, équivalentes au mode temps de vol, la grande majorité des neutrons ne mesureraient rien et ne feraient qu'ajouter du bruit de fond, rendant une telle expérience certainement plus difficile et moins efficace.
Le puissant faisceau monochromatique de l'ILL sera tout aussi crucial pour la prochaine phase d'expériences visant à étudier un certain nombre de phénomènes physiques intrigants dont on suppose l'existence dans le 2H-NbSe2. " À mon avis, l'instrument D33 de l'ILL offre un outil impressionnant pour sonder et mieux comprendre de telles propriétés dans le 2H-NbSe2 et d'autres supraconducteurs ", conclut Alshemi.
Référence: Alshemi, A. and Forgan, E. M. and Hiess, A. and Cubitt, R. and White, J. S. and Schmalzl, K. and Blackburn, E. 'Two Characteristic Contributions to the Superconducting State of 2H-NbSe2', Phys. Rev. Lett., 134, 11 (2025).
doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.116001
Instrument ILL: D33
Contact ILL: Bob Cubitt
Mécanique quantique, bandes d'énergie et supraconductivité
En mécanique quantique, les électrons (et les autres particules) se comportent à la fois comme des particules et des ondes, et possèdent des propriétés quelque peu étranges. Dans les atomes, l'énergie des électrons est quantifiée (ce qui signifie qu'elle ne peut prendre que certaines valeurs discrètes) et leur localisation est décrite par des orbitales atomiques (qui peuvent être utilisées pour calculer la probabilité de trouver l'électron dans une région spécifique autour du noyau). Dans un grand réseau d'atomes ou de molécules, la structure de bandes décrit la gamme de niveaux d'énergie que les électrons peuvent prendre Il existe également des bandes interdites – les gammes d'énergie qu'ils ne peuvent prendre. La théorie des bandes explique ces bandes et ces intervalles (gaps) par le chevauchement des orbitales électroniques.
Dans un materiau conducteur "normal", les électrons entrent constamment en collision avec les ions du réseau, et une partie de l'énergie transportée par le courant est perdue – c'est ce qui correspond à la résistance électrique. Dans les matériaux supraconducteurs, il existe une température (température critique Tc) en dessous de laquelle le courant électrique peut circuler sans résistance, et donc sans perte d'énergie. Ces matériaux expulsent également les champs magnétiques lorsqu'ils passent à l'état supraconducteur (effet Meissner). La théorie de la supraconductivité nous explique qu'en dessous de Tc, les électrons forment des paires liées (appelées paires de Cooper) en raison d'une force attractive entre les électrons dans le réseau (causée par les interactions des électrons avec les vibrations au niveau atomique du réseau chargé positivement, connues sous le nom de phonons). À des températures plus élevées, ces liaisons très faibles sont rompues par les vibrations thermiques du réseau. Collectivement, les paires peuvent se déplacer à travers le matériau sans résistance. Ce fluide de paires de Cooper possède une bande d'énergie spécifique (et une bande interdite). La supraconductivité multibande apparaît lorsque plusieurs bandes électroniques contribuent à la formation de l'état supraconducteur, permettant des interactions de paires et des structures de gap distinctes.
La supraconductivité a été découverte il y a plus d'un siècle dans le mercure (puis dans d'autres métaux et alliages métalliques) refroidi à quelques degrés seulement au-dessus du zéro absolu (en utilisant de l'hélium liquide, à environ -269 °C ou -452 °F). Plus récemment, il y a quelques décennies, une nouvelle classe de matériaux supraconducteurs à des températures (toujours basses mais) beaucoup plus élevées a été découverte – dans certains cas au-dessus de l'azote liquide (environ -196 °C ou -321 °F). Il est intéressant de noter que la théorie qui décrit la supraconductivité dans les métaux et les alliages ne s'applique pas à la plupart de ces nouveaux matériaux.