Un nouveau pas dans la compréhension des supraconducteurs à base d'oxyde de nickel
Une nouvelle étude montre que les supraconducteurs à base d'oxyde de nickel, qui conduisent l'électricité sans perte à des températures plus élevées que les supraconducteurs classiques, contiennent un type de matière quantique appelé ondes de densité de charge, ou CDW, qui peut accompagner la supraconductivité.
Une illustration montre un type de matière quantique appelé ondes de densité de charge, ou CDW, superposé à la structure atomique d'un supraconducteur d'oxyde de nickel découvert par des chercheurs du SLAC et de Stanford il y a trois ans. (En bas) Le matériau d'oxyde de nickel, avec les atomes de nickel en orange et les atomes d'oxygène en rouge. (En haut à gauche) Les CDW apparaissent comme un motif d'ondulations d'électrons gelés, avec une plus grande densité d'électrons dans les pics des ondulations et une plus faible densité d'électrons dans les creux. (En haut à droite) Cette zone représente un autre état quantique, la supraconductivité, qui peut également émerger dans l'oxyde de nickel. La présence de CDW montre que les oxydes de nickel sont capables de former des états corrélés - des "soupes d'électrons" qui peuvent accueillir une variété de phases quantiques, y compris la supraconductivité.
Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
La présence d'ondes de densité de charge montre que ces matériaux récemment découverts, également connus sous le nom de nickelates, sont capables de former des états corrélés - des "soupes d'électrons" qui peuvent héberger une variété de phases quantiques, y compris la supraconductivité.
"Contrairement à tous les autres supraconducteurs connus, les CDW apparaissent avant même que l'on dope le matériau en remplaçant certains atomes par d'autres afin de modifier le nombre d'électrons libres de se déplacer", a déclaré Wei-Sheng Lee, chercheur principal au SLAC et chercheur au Stanford Institute for Materials and Energy Science (SIMES), qui a dirigé l'étude.
"Cela fait des nickelates un nouveau système très intéressant - un nouveau terrain de jeu pour étudier les supraconducteurs non conventionnels".
Nickelates et cuprates
Au cours des 35 années qui ont suivi la découverte des premiers supraconducteurs "haute température" non conventionnels, les chercheurs se sont lancés dans une course pour en trouver un qui pourrait transporter de l'électricité sans perte à une température proche de la température ambiante. Il s'agirait d'un développement révolutionnaire, qui permettrait la mise en place de lignes électriques parfaitement efficaces, de trains à sustentation magnétique et d'une multitude d'autres technologies futuristes permettant d'économiser l'énergie.
Mais si un vigoureux effort de recherche mondial a permis de cerner de nombreux aspects de leur nature et de leur comportement, on ne sait toujours pas exactement comment ces matériaux deviennent supraconducteurs.
La découverte des pouvoirs supraconducteurs du nickelate par les chercheurs de SIMES, il y a trois ans, a donc été passionnante car elle a donné aux scientifiques une nouvelle perspective sur le problème.
Depuis lors, les chercheurs du SIMES ont exploré la structure électronique des nickelates - en gros, la façon dont leurs électrons se comportent - et leur comportement magnétique. Ces études ont mis en évidence d'importantes similitudes et de subtiles différences entre les nickelates et les oxydes de cuivre ou cuprates - les premiers supraconducteurs à haute température jamais découverts et toujours détenteurs du record mondial de fonctionnement à haute température à des pressions quotidiennes.
Étant donné que le nickel et le cuivre sont situés juste à côté l'un de l'autre dans le tableau périodique des éléments, les scientifiques n'ont pas été surpris d'y trouver une parenté et ont même soupçonné que les nickelates pourraient faire de bons supraconducteurs. Mais il s'est avéré extraordinairement difficile de construire des matériaux présentant les bonnes caractéristiques.
"C'est encore très récent", a déclaré M. Lee. "Les gens ont encore du mal à synthétiser des films minces de ces matériaux et à comprendre comment différentes conditions peuvent affecter les mécanismes microscopiques sous-jacents liés à la supraconductivité."
Des ondulations d'électrons gelés
Les CDW ne sont que l'un des états étranges de la matière qui se bousculent pour occuper le devant de la scène dans les matériaux supraconducteurs. On peut les voir comme un motif d'ondulations d'électrons gelés superposé à la structure atomique du matériau, avec une plus grande densité d'électrons dans les pics des ondulations et une plus faible densité d'électrons dans les creux.
Lorsque les chercheurs ajustent la température et le niveau de dopage du matériau, différents états apparaissent et disparaissent. Lorsque les conditions sont idéales, les électrons du matériau perdent leur identité individuelle et forment une soupe d'électrons, et des états quantiques tels que la supraconductivité et les CDW peuvent apparaître.
Une étude antérieure du groupe SIMES n'avait pas trouvé de CEP dans les nickelates contenant du néodyme, un élément des terres rares. Mais dans cette dernière étude, l'équipe SIMES a créé et examiné un matériau nickelate différent où le néodyme a été remplacé par un autre élément des terres rares, le lanthane.
"L'émergence des CDW peut être très sensible à des éléments tels que la contrainte ou le désordre dans leur environnement, qui peuvent être réglés en utilisant différents éléments de terres rares", explique Matteo Rossi, qui a dirigé les expériences alors qu'il était chercheur postdoctoral au SLAC.
L'équipe a réalisé des expériences dans trois sources de lumière à rayons X : le Diamond Light Source au Royaume-Uni, le Stanford Synchrotron Radiation Lightsource au SLAC et l'Advanced Light Source au Lawrence Berkeley National Laboratory du DOE. Chacune de ces installations offrait des outils spécialisés pour sonder et comprendre le matériau à un niveau fondamental. Toutes les expériences ont dû être réalisées à distance en raison des restrictions liées à la pandémie.
Essentiellement de l'auto-dopage
Les expériences ont montré que ce nickelate pouvait accueillir à la fois des CDW et des états supraconducteurs de la matière - et que ces états étaient présents avant même que le matériau ne soit dopé. Ce résultat est surprenant, car le dopage est généralement un élément essentiel pour rendre les matériaux supraconducteurs.
Selon Lee, le fait que ce nickelate soit essentiellement auto-dopant le rend très différent des cuprates.
"Cela fait des nickelates un nouveau système très intéressant pour étudier comment ces phases quantiques se concurrencent ou s'entremêlent", a-t-il déclaré. "Et cela signifie que de nombreux outils utilisés pour étudier d'autres supraconducteurs non conventionnels peuvent également s'appliquer à celui-ci."
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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