Une nouvelle classe de supraconducteurs

Une nouvelle théorie qui pourrait expliquer comment la supraconductivité non conventionnelle apparaît dans une variété de composés ne se serait probablement jamais produite si les physiciens Qimiao Si et Emilian Nica avaient choisi un nom différent pour leur modèle de 2017 de supraconductivité sélective orbitale.

Dans une étude publiée ce mois-ci dans Matériaux quantiques NPJC., de la Rice University et Nikka de l’Arizona State University, soutiennent que la supraconductivité non conventionnelle de certains matériaux lourds à base de fer résulte d’un phénomène général appelé «chemise multi-pèlerin». Appairage. « 

Dans les supraconducteurs, les électrons forment des paires et s’écoulent sans résistance. Les physiciens ne peuvent pas expliquer complètement comment les paires se forment dans les supraconducteurs non conventionnels, car les forces quantiques conduisent à un comportement étrange. Les fermions lourds, un autre matériau quantique, comportent des électrons qui semblent des milliers de fois plus gros que les électrons normaux.

Si et Nica ont proposé l’idée d’un couplage sélectif au sein des orbitales atomiques en 2017 pour expliquer la supraconductivité non conventionnelle dans les séléniures de fer alcalins. L’année suivante, ils ont appliqué le modèle orbital sélectif au matériau de fermion lourd dont la supraconductivité non conventionnelle est apparue pour la première fois en 1979.

Ils ont pensé à nommer le modèle d’après une expression mathématique apparentée popularisée par le pionnier quantique Wolfgang Pauli, mais ils ont choisi de l’appeler d + d. Le nom fait référence aux fonctions d’onde mathématiques qui décrivent les états quantiques.

« C’est comme si vous aviez deux paires d’électrons dansant l’un avec l’autre », a déclaré C, professeur de physique et d’astronomie à Rice Olga K. Weiss. « Vous pouvez distinguer cette danse par les canaux s-wave, p-wave et d-wave, et d + d désigne deux types différents d’ondes d qui fusionnent en une seule. »

Dans l’année qui a suivi la publication du modèle d + d, Si a donné de nombreuses conférences sur le travail et a constaté que les membres du public confondent souvent le nom avec «d + id», un autre nom de conjugaison dont les physiciens discutent depuis plus d’un an. quart de siècle.

«Les gens m’ont approché après avoir donné une conférence et ont dit: ‘Votre théorie du d + id est vraiment intéressante», a déclaré Si, qui dirige également le Rice Center.

À la mi-2019, Si et Nica se sont rencontrés pendant le déjeuner lors d’une visite au laboratoire national de Los Alamos et ont commencé à partager des histoires sur la confusion entre d + d et d + id.

«Cela a conduit à une discussion sur la question de savoir si d + d pourrait être lié à d + id de manière significative, et nous avons réalisé que ce n’était pas une blague», a déclaré Nika.

Le contact comprenait des états de couplage d + d et ceux rendus célèbres par la découverte du super-hélium-3, lauréate du prix Nobel.

« Il existe deux conjugaisons super-fluides d’hélium-3 liquide, l’une est appelée phase B et l’autre est la phase A », a déclaré Nika. «Empiriquement, la phase B est presque comme d + d, tandis que la phase A est à peu près la même que d + id.»

L’analogie est devenue plus intéressante quand ils ont discuté des mathématiques. Les physiciens utilisent des calculs matriciels pour décrire les états de couplage quantique dans l’hélium-3, et c’est également le cas pour le modèle d + d.

« Vous avez un certain nombre de façons différentes d’organiser cette matrice, et nous avons réalisé que notre matrice d + d pour l’espace orbital est comme une forme différente de matrice d + id qui décrit le couplage de l’hélium-3 dans l’espace de rotation », a déclaré Nika.

Si a déclaré que les associations avec les états supraconducteurs à l’hélium-3 l’ont aidé, lui et Nikka, à fournir une description plus complète des états de couplage dans les supraconducteurs lourds et à base de fer.

«Pendant qu’Emile et moi parlions, nous avons réalisé que le tableau périodique Si dit, se référant au graphique que les physiciens utilisent pour réguler les états de couplage supraconducteurs.

«Nous utilisons des symétries – comme une grille ou des arrangements de rotation, ou si le temps qui avance ou recule est parabolique, qui est la symétrie de la réflexion du temps – pour organiser les états d’accouplement potentiels», a-t-il déclaré. « Ce que nous avons révélé, c’est que d + id peut être trouvé dans la liste actuelle. Vous pouvez utiliser le tableau périodique pour le créer. Mais d + d, vous ne pouvez pas. C’est en dehors du tableau périodique, car le tableau n’a pas d’orbites. « 

Si dit que les orbites sont importantes pour décrire le comportement de matériaux tels que les supraconducteurs à base de fer et les fermions lourds, car « les fortes relations électron-électron jouent un rôle crucial ».

« Sur la base de nos travaux, l’échelle devrait être élargie pour inclure des indicateurs orbitaux », a déclaré Si.