Des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l’énergie (DOE) ont découvert de nouveaux détails sur les électrons dans une famille de matériaux supraconducteurs à base de nickel. La recherche, décrite dans deux articles publiés dans Examen physique X, révèle que ces matériaux à base de nickel présentent certaines similitudes avec les supraconducteurs à base de cuivre et leurs principales différences. La comparaison des deux types de supraconducteurs « à haute température » peut aider les scientifiques à se concentrer sur les caractéristiques essentielles de la remarquable capacité de ces matériaux à transporter le courant électrique sans perdre d’énergie sous forme de chaleur.
« La quête pour comprendre les supraconducteurs à haute température est un défi vieux de plusieurs décennies », a déclaré Mark Dean du département de physique de la matière condensée et de science des matériaux du Brookhaven Lab, qui a dirigé les recherches décrites dans les deux articles. Depuis la découverte des supraconducteurs à base de cuivre, ou cuprate, dans les années 1980, les scientifiques tentent de comprendre ce qui les fait fonctionner.
L’intérêt est motivé en grande partie par leur potentiel d’applications économes en énergie. Imaginez des lignes électriques qui fournissent de l’électricité aux maisons loin des parcs éoliens et solaires sans perdre une once d’énergie, et des ordinateurs et autres appareils qui fonctionnent parfaitement sans avoir besoin d’un refroidissement coûteux et énergivore.
Le problème est que, malgré leur surnom de « haute température », les supraconducteurs cuprate eux-mêmes doivent être maintenus extrêmement froids pour fonctionner – bien en dessous de zéro degré Fahrenheit. Découvrir ce qui permet aux électrons dans ces matériaux de surmonter leur répulsion et leur flux normaux de « charge similaire » sans résistance pourrait peut-être ouvrir la voie à des supraconducteurs qui fonctionnent dans des conditions plus proches du monde réel.
« Ces matériaux sont également un banc d’essai pour les efforts visant à comprendre d’autres matériaux quantiques où les électrons interagissent très fortement », a déclaré Steven Johnston, théoricien à l’Université du Tennessee et co-auteur de l’article. « Vous pourriez faire valoir raisonnablement qu’il s’agit du problème ouvert le plus important de la physique des matériaux. »
Analogues de nickel
Dans le cadre de la quête pour résoudre le problème des cuprates, les scientifiques ont recherché des analogues – des composés supraconducteurs similaires qu’ils pourraient étudier et comparer pour leur donner des indices pour améliorer les propriétés.
« Peut-être que si vous modifiez simplement quelque chose, vous pouvez augmenter une propriété telle que la température de transition vers la supraconductivité, ou vous pouvez créer des matériaux avec des éléments moins chers pour les applications », a déclaré Yao Shen, chercheur postdoctoral à Brookhaven et premier auteur de les parutions.
Le nickel était un choix logique. Sa proximité avec le cuivre sur le tableau périodique implique que les composés fabriqués à partir de ces métaux de transition voisins pourraient fonctionner de manière similaire mais avec suffisamment de différences pour souligner ce qui est essentiel à la supraconductivité.
Mais avant même que les scientifiques de l’Université de Stanford ne réussissent à créer un supraconducteur à base de nickel en 2019, d’autres se demandaient si les composés de nickel pouvaient être considérés comme de véritables analogues des cuprates. Une fois les nickelates synthétisés, la quête pour le savoir a commencé.
« Voir » le comportement électronique
Ces études ont utilisé des rayons X au National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) de Brookhaven Lab, une installation utilisateur du DOE Office of Science qui permet la recherche sur la structure microscopique, la chimie et d’autres propriétés de toutes sortes de matériaux. L’équipe a utilisé la ligne de lumière Soft Inelastic X-Ray (SIX), dirigée par les collaborateurs de l’étude Valentina Bisogni et Jonathan Pelliciari, pour comparer les propriétés électroniques d’un supraconducteur en nickelate en couches (La4Dans3O8) avec celles d’un cuprate bien connu (La2?xSrXCuO4).
Ils voulaient savoir quels électrons (de quels éléments) dans chaque composé contribuent à la supraconductivité et à d’autres propriétés électroniques, y compris la présence d’une « onde de densité de charge ». Ce modèle ordonné d’électrons pourrait jouer un rôle dans la génération de la supraconductivité du matériau.
« Les scientifiques ont des preuves que la supraconductivité dans les cuprates est associée à de très fortes interactions magnétiques entre les ions de cuivre », a déclaré Michael Norman, un scientifique collaborateur du Laboratoire national d’Argonne. « Ainsi, en plus de comparer les électrons impliqués dans la supraconductivité dans ces deux matériaux, nous voulions également rechercher des preuves d’interactions magnétiques entre les ions nickel dans ces nickelates et comprendre quels éléments contribuent aux électrons qui forment à la fois les ondes de charge et de densité magnétique dans ces matériaux. »
La ligne de lumière SIX, avec sa résolution énergétique de pointe, permet aux scientifiques de « voir » ces détails à l’échelle subatomique en ajustant précisément l’énergie des rayons X aux éléments individuels de l’échantillon à l’aide d’une technique appelée diffusion inélastique résonnante des rayons X (RIXS ).
« Nous pouvons régler notre énergie de rayons X pour qu’elle résonne avec l’oxygène, le nickel ou d’autres éléments, puis nous pouvons voir les propriétés électroniques de ces éléments spécifiques », a déclaré Dean. « Nous avons utilisé cela parallèlement à des calculs théoriques pour obtenir une image détaillée de la façon dont ces matériaux fonctionnent électroniquement. »
Principales similitudes et différences
Les résultats indiquent des similitudes substantielles entre les supraconducteurs au nickelate et au cuprate – et quelques différences.
Par exemple, les scientifiques ont découvert que dans les deux ensembles de matériaux, le métal de transition (cuivre ou nickel) et l’oxygène contribuent tous deux aux propriétés électroniques des matériaux, mais les interactions magnétiques entre les atomes de nickel, médiées par les oxygènes intermédiaires, sont légèrement plus faibles que les interactions magnétiques médiées par l’oxygène entre les atomes de cuivre dans les cuprates.
« Les cuprates ont cette très belle énergie bien alignée entre le cuivre et l’oxygène, et c’est pourquoi ils sont très fortement magnétiques », a déclaré Shen. « Une chose similaire se produit dans les composés de nickel juste dans une mesure légèrement moins parfaite. »
Les scientifiques ont trouvé des différences clés dans les propriétés électroniques qui contribuent à la génération de l’ordre de charge – l’onde de densité de charge – dans les deux classes de supraconducteurs. Il s’avère que l’onde de densité de charge dans le nickelate est beaucoup plus complexe que celle du cuprate, provenant des interactions combinées de tous les différents éléments du matériau.
« Ces résultats indiquent que les composés de nickel promettent d’en savoir plus sur le fonctionnement des cuprates, et ils indiquent les différentes façons dont vous pourriez vouloir modifier les composés de nickel pour les rendre plus semblables aux cuprates – pour avoir un magnétisme plus fort ou une supraconductivité plus forte, » a déclaré Jennifer Sears, chercheuse postdoctorale à Brookhaven.
« Les rayons X montrent vraiment leur pouvoir pour sonder ces types de problèmes. Les capacités de NSLS-II nous ont permis de travailler cette physique assez rapidement d’une manière qui n’aurait pas été le cas sans cette nouvelle génération des instruments RIXS », a noté le collaborateur Matteo Mitrano de l’Université de Harvard.
Les prochaines étapes comprennent l’exploration des contributions des éléments de terres rares – lanthane, strontium et autres – aux propriétés de ces matériaux.
« On ne pense pas que la couche de terres rares soit électroniquement active dans les cuprates, mais c’est une question ouverte dans les matériaux à base de nickel », a déclaré Dean.
Les outils de NSLS-II permettront également d’explorer cette question.
Les co-auteurs supplémentaires de ce travail comprenaient John Mitchell du Laboratoire national d’Argonne, qui, avec Junjie Zhang, a fourni les échantillons de matériaux qui ont été préparés à l’aide de techniques uniques de croissance cristalline à haute pression, et le spécialiste de la spectroscopie à rayons X Gilberto Fabbris, également basé à Argonne. . La recherche et les installations utilisées ont été financées par le DOE Office of Science (BES).
