Une étude révèle que les supraconducteurs au nickelate sont intrinsèquement magnétiques

Les électrons se trouvent répulsifs. Rien de personnel, c’est juste que leurs charges négatives se repoussent. Donc, les amener à s’apparier et à voyager ensemble, comme ils le font dans les matériaux supraconducteurs, nécessite un petit coup de pouce.

Dans les supraconducteurs de la vieille école, qui ont été découverts en 1911 et conduisent le courant électrique sans résistance, mais uniquement à des températures extrêmement froides, le coup de pouce provient des vibrations dans le réseau atomique du matériau.

Mais dans les nouveaux supraconducteurs « non conventionnels » – qui sont particulièrement excitants en raison de leur potentiel de fonctionnement à une température proche de la température ambiante pour des choses comme la transmission de puissance sans perte – personne ne sait avec certitude ce qu’est le coup de pouce, bien que les chercheurs pensent que cela pourrait impliquer des bandes de charge électrique, des ondes de spins électroniques oscillants qui créent des excitations magnétiques, ou une combinaison de choses.

Dans l’espoir d’en savoir plus en examinant le problème sous un angle légèrement différent, des chercheurs de l’Université de Stanford et du SLAC National Accelerator Laboratory du Département de l’énergie ont synthétisé une autre famille de supraconducteurs non conventionnels : les oxydes de nickel, ou nickelates. Depuis lors, ils ont passé trois ans à étudier les propriétés des nickelates et à les comparer à l’un des supraconducteurs non conventionnels les plus célèbres, les oxydes de cuivre ou cuprates.

Et dans un article publié dans Physique naturelle Aujourd’hui, l’équipe a signalé une différence significative : contrairement aux cuprates, les champs magnétiques des nickelates sont toujours activés.

Magnétisme : ami ou ennemi ?

Les nickelates, ont déclaré les scientifiques, sont intrinsèquement magnétiques, comme si chaque atome de nickel serrait un petit aimant. Cela est vrai que le nickelate soit dans son état non supraconducteur, ou normal, ou dans un état supraconducteur où les électrons se sont appariés et ont formé une sorte de soupe quantique qui peut héberger des phases entrelacées de matière quantique. Les cuprates, en revanche, ne sont pas magnétiques dans leur état supraconducteur.

« Cette étude a examiné les propriétés fondamentales des nickelates par rapport aux cuprates, et ce que cela peut nous dire sur les supraconducteurs non conventionnels en général », a déclaré Jennifer Fowlie, chercheuse postdoctorale au Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) du SLAC qui a dirigé le expériences.

Certains chercheurs pensent que le magnétisme et la supraconductivité se font concurrence dans ce type de système, a-t-elle déclaré. d’autres pensent que vous ne pouvez pas avoir de supraconductivité à moins que le magnétisme ne soit à proximité.

« Bien que nos résultats ne règlent pas cette question, ils mettent en évidence les domaines où davantage de travail devrait probablement être fait », a déclaré Fowlie. « Et ils marquent la première fois que le magnétisme a été examiné à la fois dans l’état supraconducteur et dans l’état normal des nickelates. »

Harold Hwang, professeur au SLAC et à Stanford et directeur du SIMES, a déclaré : « Il s’agit d’une autre pièce importante du puzzle que la communauté des chercheurs est en train de mettre en place alors que nous travaillons à définir les propriétés et les phénomènes au cœur de ces matériaux passionnants.

Entrez le muon

Peu de choses sont faciles dans ce domaine de recherche, et l’étude des nickelates a été plus difficile que la plupart.

Alors que les théoriciens avaient prédit il y a plus de 20 ans que leur similitude chimique avec les cuprates rendait probable qu’ils pourraient héberger de la supraconductivité, les nickelates sont si difficiles à fabriquer qu’il a fallu des années d’essais avant que l’équipe du SLAC et de Stanford ne réussisse.

Même dans ce cas, ils ne pouvaient fabriquer que des films minces du matériau, et non les morceaux plus épais nécessaires pour explorer ses propriétés avec des techniques courantes. Un certain nombre de groupes de recherche à travers le monde ont travaillé sur des moyens plus simples de synthétiser les nickelates sous toutes leurs formes, a déclaré Hwang.

L’équipe de recherche s’est donc tournée vers une méthode plus exotique, appelée rotation/relaxation du spin des muons à basse énergie, qui peut mesurer les propriétés magnétiques des couches minces et qui n’est disponible qu’à l’Institut Paul Scherrer (PSI) en Suisse.

Les muons sont des particules chargées fondamentales similaires aux électrons, mais 207 fois plus massives. Ils ne restent que 2,2 millionièmes de seconde avant de se décomposer. Les muons chargés positivement, qui sont souvent préférés pour des expériences comme celles-ci, se désintègrent en un positon, un neutrino et un antineutrino. Comme leurs cousins ​​électroniques, ils tournent comme des toupies et changent la direction de leur rotation en réponse aux champs magnétiques. Mais ils ne peuvent « sentir » ces champs que dans leur environnement immédiat – jusqu’à environ un nanomètre, ou un milliardième de mètre, de distance.

Au PSI, les scientifiques utilisent un faisceau de muons pour incorporer les petites particules dans le matériau qu’ils veulent étudier. Lorsque les muons se désintègrent, les positrons qu’ils produisent s’envolent dans la direction de rotation du muon. En retraçant les positrons jusqu’à leurs origines, les chercheurs peuvent voir dans quelle direction les muons pointaient lorsqu’ils ont disparu et ainsi déterminer les propriétés magnétiques globales du matériau.

Trouver une solution de contournement

L’équipe du SLAC a demandé à faire des expériences avec le système PSI en 2020, mais la pandémie a ensuite rendu impossible les déplacements à l’intérieur ou à l’extérieur de la Suisse. Heureusement, Fowlie était postdoc à l’Université de Genève à l’époque et prévoyait déjà de venir au SLAC pour travailler dans le groupe de Hwang. Elle a donc lancé la première série d’expériences en Suisse avec une équipe dirigée par Andreas Suter, scientifique senior au PSI et expert dans l’extraction d’informations sur la supraconductivité et le magnétisme à partir des données de désintégration des muons.

Après son arrivée au SLAC en mai 2021, Fowlie a immédiatement commencé à fabriquer divers types de composés de nickelate que l’équipe voulait tester dans sa deuxième série d’expériences. Lorsque les restrictions de voyage ont pris fin, l’équipe a finalement pu retourner en Suisse pour terminer l’étude.

La configuration expérimentale unique du PSI permet aux scientifiques d’intégrer des muons à des profondeurs précises dans les matériaux de nickelate. À partir de là, ils ont pu déterminer ce qui se passait dans chaque couche ultra-mince de divers composés de nickelate avec des compositions chimiques légèrement différentes. Ils ont découvert que seules les couches contenant des atomes de nickel étaient magnétiques.

L’intérêt pour les nickelates est très élevé dans le monde, a déclaré Hwang. Une demi-douzaine de groupes de recherche ont publié leurs propres méthodes de synthèse des nickelates et travaillent à l’amélioration de la qualité des échantillons qu’ils étudient, et un grand nombre de théoriciens tentent de trouver des idées pour orienter la recherche dans des directions productives.

« Nous essayons de faire ce que nous pouvons avec les ressources dont nous disposons en tant que communauté de recherche », a-t-il déclaré, « mais nous pouvons encore apprendre et faire beaucoup plus ».