Un nouveau matériau composé de couches atomiques ondulées présente des propriétés supraconductrices inhabituelles

Des physiciens du MIT et leurs collègues ont créé un nouveau matériau aux propriétés supraconductrices et métalliques inhabituelles, grâce à des couches d’atomes ondulées de quelques milliardièmes de mètre d’épaisseur qui se répètent à l’infini pour créer un échantillon macroscopique manipulable à la main. La grande taille de l’échantillon facilite grandement l’exploration de son comportement quantique, ou des interactions à l’échelle atomique qui donnent naissance à ses propriétés.

Le travail, signalé dans Natureest également important car le matériau a été synthétisé grâce à une conception rationnelle. En d’autres termes, la recette du matériau est basée sur les connaissances de l’équipe en science des matériaux et en chimie de cette famille de matériaux. Les physiciens sont donc convaincus qu’ils peuvent créer encore plus de nouveaux matériaux aux propriétés inhabituelles.

De plus, bien qu’il existe d’autres matériaux qui forment des structures atomiques ondulées, l’équipe estime que c’est la plus parfaite. Les couches nanoscopiques d’ondes sont uniformes sur l’ensemble d’un cristal, qui est composé de milliers de ces couches ondulées.

« De tels matériaux vont au-delà de ce que l’on pourrait traditionnellement considérer comme un cristal : observer et comprendre quelles nouvelles propriétés physiques peuvent émerger est une opportunité passionnante », déclare Joseph Checkelsky, chercheur principal du travail et professeur associé de physique au MIT.

Matériaux 2D

Les matériaux bidimensionnels, ou ceux constitués d’une ou de quelques couches d’atomes seulement, ont retenu l’attention des physiciens car ils peuvent être manipulés pour produire des matériaux aux propriétés nouvelles et inhabituelles. Par exemple, la rotation ou la torsion d’une ou plusieurs couches selon un angle léger crée un motif unique appelé super-réseau moiré qui peut donner naissance à des phénomènes tels que la supraconductivité et le magnétisme non conventionnel.

Mais les matériaux moirés sont à la fois difficiles à fabriquer (ils doivent être assemblés manuellement) et difficiles à étudier en raison de leurs dimensions atomiques. Le groupe de Checkelsky s’est efforcé de créer des matériaux analogues beaucoup plus faciles à manipuler.

« Nous mélangeons essentiellement des poudres de matériaux, les exposons à des températures de quelques centaines de degrés Celsius dans un four et nous nous appuyons sur des réactions chimiques » pour former naturellement des cristaux macroscopiques dont les propriétés sont dictées par des interactions à l’échelle atomique. « C’est la percée clé », explique Aravind Devarakonda, Ph.D. du MIT, qui est aujourd’hui professeur adjoint à l’université de Columbia. Devarakonda est le premier auteur de l’article actuel Nature papier.

En 2020, Checkelsky et plusieurs de ses collègues dans le travail actuel ont rapporté le premier matériel de ce type créé de cette façon dans la revue ScienceCet article était accompagné d’un article de perspective du professeur Leslie M. Schoop de l’Université de Princeton.

En 2021, Checkelsky et ses collègues ont décrit dans Nature la physique qui explique comment ce matériau particulier peut présenter deux types différents de supraconductivité. Le nouveau matériau ondulé est le deuxième membre de cette famille de composés.

Comme un gâteau à étages

Tel un gâteau à plusieurs couches, le nouveau matériau est composé d’une fine couche métallique de tantale et de soufre superposée sur une couche « d’espacement » composée de strontium, de tantale et de soufre. Cette structure se répète sur des milliers de couches pour créer un grand cristal.

Devarakonda et ses collègues pensent que les ondes se forment en raison d’une inadéquation entre la taille et la structure du réseau cristallin de chaque couche. De la même manière, une couche, composée de tantale et de soufre, se courbe pour s’adapter à l’autre, formant ainsi l’onde. Imaginez que vous placez une feuille de papier ordinaire sur une feuille de papier d’imprimante ordinaire. Pour que le papier ordinaire puisse s’adapter au papier ordinaire, une partie du papier devrait se courber vers le haut. La nouvelle structure est analogue, sauf que le papier ordinaire est « épinglé » au papier ordinaire à intervalles réguliers, formant ainsi des ondes.

Des biens insolites

Ces ondes minuscules sont à l’origine des propriétés intéressantes du matériau. Par exemple, à une certaine température, le matériau peut devenir supraconducteur, c’est-à-dire que les électrons le traversent sans résistance.

Dans ce cas, « les électrons sont imprimés par les modulations structurelles [waves] », explique Devarakonda. En d’autres termes, « la supraconductivité capte également cette ondulation. Dans certaines parties, elle est forte, et dans d’autres, elle est affaiblie ».

De même, le matériau présente des propriétés métalliques inhabituelles. En effet, les électrons ont beaucoup plus de facilité à s’écouler dans les creux d’une onde (ou dans une vallée) plutôt que de monter et de franchir les collines d’une onde.

« Nous avons donc donné aux électrons une directionnalité. Il leur est plus facile de circuler dans une direction que dans l’autre », explique Devarakonda. « Nous avons montré qu’en introduisant la [wave] « Avec la structure, nous pouvons changer radicalement le comportement des couches. Nous avons planté le drapeau ; maintenant, nous et d’autres pouvons courir avec des applications. En nous tenant sur les épaules de géants, nous avons créé une toute nouvelle famille de matériaux. C’est un territoire complètement inexploré qui a apporté des résultats inattendus, et les surprises sont toujours amusantes. »

Outre Devarakonda et Checkelsky, les auteurs de cet article sont Alan Chen, étudiant diplômé du département de génie électrique et d’informatique du MIT ; Shiang Fang, ancien chercheur postdoctoral au département de physique du MIT, maintenant chez Google Deepmind ; David Graf du National High Magnetic Field Laboratory ; Markus Kriener du RIKEN Center for Emergent Matter Science au Japon ; Austin J. Akey de l’université de Harvard ; David C. Bell de Harvard ; et Takehito Suzuki de l’université de Toho.