Comprendre la supraconductivité en manipulant les atomes

La compréhension microscopique des supraconducteurs à haute température critique reste l'un des principaux problèmes ouverts en physique de la matière condensée. Les interactions fortes entre porteurs de charge donnent lieu à des ordres électroniques souvent en compétition à petite échelle. Les sondes en champ proche, comme la microscopie à effet tunnel, sont idéales pour analyser les surfaces de ces matériaux, en raison de leur grande sensibilité spatiale et énergétique. Cependant, le désordre structural des oxydes de cuivre supraconducteurs empêche de corréler directement la structure atomique avec les propriétés électroniques impliquées dans leur supraconductivité.

En utilisant le champ électrique autour de la pointe d’un microscope à effet tunnel, des physiciens du Laboratoire de physique des solides (LPS, CNRS/Univ. Paris Saclay) d'Orsay ont découvert qu'il est possible de sélectionner et déplacer un à un des atomes à la surface du composé Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+x. Puisque ces manipulations d'un seul atome sont non destructives et réversibles, elles permettent d'étudier en détail les propriétés électroniques avant et après la manipulation. Cette technique s'affranchit donc efficacement des effets d'environnement inhomogène et donne un aperçu direct de l'effet des atomes individuels sur les propriétés électroniques locales. Ce travail est publié dans la revue Science.

Dans les matériaux supraconducteurs, tous les porteurs de charge sont appariés. Pour briser une paire, il faut fournir une certaine quantité d'énergie, à l'origine d'un gap dans le spectre d'énergie d'excitation électronique. Or, les chercheurs ont mis en évidence qu'en déplaçant les atomes de bismuth à la surface du composé Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+x, il est possible d'agir sur la taille de ce gap. Cela suggère que des atomes individuels peuvent augmenter ou réduire localement la formation de paires, et donc la force locale de la supraconductivité. Cela donne un nouvel aperçu du mécanisme d'appariement et de l’échelle caractéristique sur laquelle ce mécanisme se produit.