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Posté par Redbran le Mercredi 25/04/2018 à 12:00
Premier diagramme de phase d'un supraconducteur à haute température critique par dopage électrostatique

En établissant le diagramme de phase du Bi2Sr2Ca1Cu2O8+x par la méthode du dopage électrostatique, des physiciens ont mis en évidence le comportement complexe de ce type de supraconducteurs, révélant une physique riche et nouvelle.

Le diagramme de phase (Un diagramme de phase est une expression utilisée en thermodynamique (voir Phase) ; elle indique une représentation graphique, généralement à deux ou trois dimensions, représentant les domaines...) d'un supraconducteur à haute température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant...) critique décrit sa résistance électrique en fonction de la température et de son degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) de dopage. Ce diagramme (Un diagramme est une représentation visuelle simplifiée et structurée des concepts, des idées, des constructions, des relations, des données statistiques, de l'anatomie etc. employé dans tous les aspects des...) est-il universel pour les différentes familles de supraconducteurs, et notamment le Bi2Sr2Ca1Cu2O8+x (BSCCO) ? Comment se présente-t-il pour les échantillons parfaitement bidimensionnels ? En variant le dopage dans des dispositifs ultra-minces de BSCCO par le biais d'une technique utilisant la mobilité des ions dans un substrat de verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué d’oxyde de...), des physiciens ont répondu à ces questions.

Sans dopage, ces composés sont isolants et antiferromagnétiques (sans aimantation). Au fur (Fur est une petite île danoise dans le Limfjord. Fur compte environ 900 hab. . L'île couvre une superficie de 22 km². Elle est située dans la...) et à mesure que le dopage augmente, l'antiferromagnétisme devient fluctuant et la supraconductivité (La supraconductivité est un phénomène survenant dans certains matériaux dits supraconducteurs. Il est caractérisé par l'absence de résistance électrique et l'annulation du champ...) émerge à basse température. Le dopage grandissant toujours, la température supraconductrice suit un "dôme ()", augmentant puis diminuant au-delà d'une valeur optimale. A température plus haute, l'état non-supraconducteur s'écarte de celui d'un métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des...) habituel. A bas dopage, dans le régime dit de "pseudogap", la conductivité est faible. Autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les...) du dopage optimal la conductivité de l'état non-supraconducteur (qualifié "d'étrange") augmente, mais ne suit pas les variations attendues en fonction de la température. Seulement à très haut dopage, nous retrouvons un comportement métallique "normal".

Pour étudier ces variations, le dopage est habituellement modifié en variant la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une...) d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) dans l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :). Cette méthode introduit des défauts et peut même changer la structure cristalline, rendant difficile la distinction entre effets dus au dopage et ceux dus au désordre. Pour résoudre ces problèmes, une équipe de physiciens de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) de minéralogie, de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la nature ;...) des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) et de cosmochimie (IMPMC, CNRS/Sorbonne Université/MNHN/IRD), en collaboration avec le WMIT (Garching) a utilisé le "dopage par charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour...) d'espace".

Pour cela, les chercheurs ont déposé des échantillons de 3 à 7 nanomètres d'épaisseur de BSCCO sur des substrats de verre avec des contacts électriques permettant de mesurer leurs propriétés électroniques. Ils ont ensuite créé une fine couche de charge variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle est utilisée pour marquer un rôle dans une formule, un prédicat ou...) à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement...) du substrat de verre sous l'échantillon, permettant de le doper électro-statiquement et de mesurer ses propriétés de transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la...) électronique, en fonction de la température et d'un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée...) extérieur.

L'analyse de ces mesures a permis d'établir pour la première fois le diagramme de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) du BSCCO bidimensionnel en fonction du dopage électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre elles, c’est-à-dire de leurs interactions.), de la température et aussi du désordre. Alors que l'universalité de ce diagramme n'est pas mise en cause, dans le BSCCO bidimensionnel les frontières des phases de l'état non-supraconducteur convergent ( en astronautique, convergent en mathématiques, suite convergente série convergente ) vers un point (Graphie) à température 0K (-273,15 °C), proche du dopage optimal de la supraconductivité. Ce point critique pourrait être lié à une transition de phase (En physique, une transition de phase est une transformation du système étudié provoquée par la variation d'un paramètre extérieur particulier (température, champ magnétique...).) quantique, autrement dit un brusque changement de l'état fondamental (En physique quantique, les états fondamentaux d'un système sont les états quantiques de plus basse énergie. Tout état d'énergie supérieure à celle des états fondamentaux est un état excité.) du BSCCO à température nulle, contrairement aux transitions de phases classiques qui se produisent à température finie. Ces travaux sont publiés dans la revue Nature Communications.


La variation de résistance d'un échantillon supraconducteur avec le dopage électrostatique. On remarque la variation de la température critique et de l'allure des courbes.


Le diagramme de phase constitué pour quatre échantillons de BSCCO (A,B,C,D) de 1 à 2,5 cellule unitaire, en fonction du dopage électrostatique et de la température. Le dôme de la région supraconductrice (SC) varie selon le désordre. Sont indiquées aussi les régions PseudoGap (bleu), 'Métal Etrange' (blanc) et 'Métal Normal'


Référence publication:
Comprehensive phase diagram of two-dimensional space charge doped Bi2Sr2Ca1Cu2O8+x
E. Sterpetti, J. Biscaras, A. Erb et A. Shukla
Nature Communications (2017) doi: 10.1038/s41467-017-02104

Contact chercheur:
Abhay Shukla, professeur à Sorbonne (La Sorbonne est un complexe monumental du Quartier latin de Paris. Elle tire son nom du théologien du XIIIe siècle Robert de Sorbon, le...) Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission...)

Informations complémentaires:
Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (IMPMC, CNRS/Sorbonne Université/MNHN/IRD)

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Source: CNRS-INP
 
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