Nouvelle avancée 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 conventionnels, contiennent un type de matière quantique appelée ondes de densité de charge, ou CDW, qui peut accompagner la supraconductivité.

La présence de CDW 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, des chercheurs du Laboratoire national des accélérateurs SLAC du Département de l’énergie et L’Université de Stanford a rapporté dans Physique naturelle aujourd’hui.

« Contrairement à tout autre supraconducteur que nous connaissons, les CDW apparaissent avant même que nous ne dopions le matériau en remplaçant certains atomes par d’autres pour modifier le nombre d’électrons libres de se déplacer », a déclaré Wei-Sheng Lee, scientifique et chercheur principal du SLAC. avec le 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 se sont écoulées depuis la découverte des premiers supraconducteurs « haute température » non conventionnels, les chercheurs se sont efforcés d’en trouver un capable de transporter l’électricité sans perte à une température proche de la température ambiante. Ce serait un développement révolutionnaire, permettant des choses comme des lignes électriques parfaitement efficaces, des trains maglev et une foule d’autres technologies futuristes et économes en énergie.

Mais alors qu’un effort de recherche mondial vigoureux a identifié de nombreux aspects de leur nature et de leur comportement, les gens ne savent toujours pas exactement comment ces matériaux deviennent supraconducteurs.

Ainsi, la découverte des pouvoirs supraconducteurs du nickelate par les chercheurs du SIMES il y a trois ans était 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 – essentiellement le comportement de leurs électrons – et leur comportement magnétique. Ces études ont révélé d’importantes similitudes et des différences subtiles entre les nickelates et les oxydes de cuivre ou les cuprates – les premiers supraconducteurs à haute température jamais découverts et qui détiennent toujours le record mondial de fonctionnement à haute température à des pressions quotidiennes.

Étant donné que le nickel et le cuivre se trouvent côte à côte sur le tableau périodique des éléments, les scientifiques n’étaient pas surpris d’y voir une parenté et avaient en fait soupçonné que les nickelates pourraient faire de bons supraconducteurs. Mais il s’est avéré extrêmement difficile de construire des matériaux ayant exactement les bonnes caractéristiques.

« C’est encore très nouveau », a déclaré 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. »

Ondulations d’électrons gelés

Les CDW ne sont que l’un des états étranges de la matière qui se bousculent pour être proéminents dans les matériaux supraconducteurs. Vous pouvez les considérer comme un motif d’ondulations d’électrons gelées superposées à la structure atomique du matériau, avec une densité d’électrons plus élevée dans les pics des ondulations et une densité d’électrons plus faible dans les creux.

Au fur et à mesure que les chercheurs ajustent la température et le niveau de dopage du matériau, divers 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 émerger.

Une étude antérieure du groupe SIMES n’a pas trouvé de CDW dans les nickelates contenant le néodyme, élément de terre rare. Mais dans cette dernière étude, l’équipe SIMES a créé et examiné un autre matériau de nickelate où le néodyme a été remplacé par un autre élément de terre rare, le lanthane.

« L’émergence des CDW peut être très sensible à des facteurs tels que la tension ou le désordre dans leur environnement, qui peuvent être réglés en utilisant différents éléments de terres rares », a expliqué Matteo Rossi, qui a dirigé les expériences alors qu’il était chercheur postdoctoral au SLAC.

L’équipe a réalisé des expériences sur trois sources lumineuses à rayons X : la Diamond Light Source au Royaume-Uni, la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource au SLAC et la 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 pandémiques.

« Essentiellement autodopé »

Les expériences ont montré que ce nickelate pouvait héberger 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. C’était surprenant, car le dopage est généralement un élément essentiel pour amener les matériaux à la supraconduction.

Lee a déclaré que le fait que ce nickelate soit essentiellement autodopant le rend significativement différent des cuprates.

« Cela fait des nickelates un nouveau système très intéressant pour étudier comment ces phases quantiques se font concurrence ou s’entremêlent », a-t-il déclaré. « Et cela signifie que de nombreux outils utilisés pour étudier d’autres supraconducteurs non conventionnels peuvent également être pertinents pour celui-ci. »