Une équipe de chercheurs du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) a identifié un composé d'oxyde de nickel comme matériau candidat non conventionnel mais prometteur pour la supraconductivité à haute température.

L'équipe a réussi à synthétiser des monocristaux d'un composé de nickelate métallique à trois couches, un exploit que les chercheurs considèrent comme une première.

"Il est prêt pour la supraconductivité d'une manière que l'on ne trouve pas dans d'autres oxydes de nickel. Nous avons bon espoir que tout ce que nous avons à faire maintenant est de trouver la bonne concentration d'électrons."

Ce composé d'oxyde de nickel n'est pas supraconducteur, dit John Mitchell, Argonne Distinguished Fellow et directeur associé de la division Science des matériaux du laboratoire, qui a mené le projet, qui combinait la croissance cristalline, Spectroscopie aux rayons X, et la théorie computationnelle. Mais, il ajouta, "Il est prêt pour la supraconductivité d'une manière que l'on ne trouve pas dans d'autres oxydes de nickel. Nous avons bon espoir que tout ce que nous avons à faire maintenant est de trouver la bonne concentration d'électrons."

Mitchell et sept co-auteurs ont annoncé leurs résultats dans le numéro de cette semaine de Physique de la nature .

Les matériaux supraconducteurs sont technologiquement importants car l'électricité les traverse sans résistance. Les supraconducteurs à haute température pourraient accélérer, appareils électroniques plus efficaces, des réseaux qui peuvent transmettre de l'énergie sans perte d'énergie et des trains à lévitation ultra-rapides qui roulent sur des aimants sans friction au lieu de rails.

Seule la supraconductivité à basse température semblait possible avant 1986, mais les matériaux supraconducteurs à basse température ne sont pas pratiques car ils doivent d'abord être refroidis à des centaines de degrés au-dessous de zéro. En 1986, cependant, la découverte de la supraconductivité à haute température dans des composés d'oxyde de cuivre appelés cuprates a engendré un nouveau potentiel technologique pour le phénomène.

Mais après trois décennies de recherches qui ont suivi, Le fonctionnement exact de la supraconductivité au cuprate reste un problème déterminant dans le domaine. Une approche pour résoudre ce problème a été d'étudier des composés qui ont des cristaux similaires, structures magnétiques et électroniques aux cuprates.

Les oxydes à base de nickel - les nickelates - ont longtemps été considérés comme des analogues potentiels du cuprate car l'élément se trouve immédiatement à côté du cuivre dans le tableau périodique. Jusqu'ici, Mitchell a noté, "Cela a été une quête infructueuse." Comme lui et ses co-auteurs l'ont noté dans leur Physique de la nature papier, "Aucun de ces analogues n'a été supraconducteur, et peu sont même métalliques."

Le nickelate que l'équipe d'Argonne a créé est un composé tricouche quasi bidimensionnel, ce qui signifie qu'il se compose de trois couches d'oxyde de nickel qui sont séparées par des couches d'espacement d'oxyde de praséodyme.

"Ainsi, il semble plus bidimensionnel que tridimensionnel, structurellement et électroniquement, ", a déclaré Mitchell.

Ce nickelate et un composé contenant du lanthane plutôt que du praséodyme partagent tous deux la structure tricouche quasi bidimensionnelle. Mais l'analogue de lanthane est non métallique et adopte une phase dite "charge-stripe", une propriété électronique qui fait du matériau un isolant, le contraire d'un supraconducteur.

"Pour une raison encore inconnue, le système praséodyme ne forme pas ces rayures, " a déclaré Mitchell. " Il reste métallique et est donc certainement le candidat le plus probable pour la supraconductivité. "

Argonne est l'un des rares laboratoires au monde où le composé pourrait être créé. Le four à zone flottante à image optique haute pression de la division Science des matériaux possède des capacités spéciales. Il peut atteindre des pressions de 150 atmosphères (équivalentes aux pressions écrasantes trouvées à des profondeurs océaniques de près de 5, 000 pieds) et des températures d'environ 2, 000 degrés Celsius (plus de 3, 600 degrés Fahrenheit), conditions nécessaires à la croissance des cristaux.

"Nous ne savions pas avec certitude que nous pouvions fabriquer ces matériaux, " a déclaré Junjie Zhang, chercheuse postdoctorale à Argonne, le premier auteur de l'étude. Mais en effet, ils ont réussi à faire pousser des cristaux mesurant quelques millimètres de diamètre (une petite fraction de pouce).

L'équipe de recherche a vérifié que la structure électronique du nickelate ressemble à celle des cuprates en prenant des mesures de spectroscopie d'absorption des rayons X à la source avancée de photons, une installation utilisateur du DOE Office of Science, et en effectuant des calculs de théorie fonctionnelle de la densité. Les scientifiques des matériaux utilisent la théorie de la fonctionnelle de la densité pour étudier les propriétés électroniques des systèmes de matière condensée.

"J'ai passé toute ma carrière à ne pas fabriquer de supraconducteurs à haute température, " a plaisanté Mitchell. Mais cela pourrait changer dans la prochaine phase de recherche de son équipe :tenter d'induire une supraconductivité dans leur matériau de nickelate à l'aide d'un processus chimique appelé dopage électronique, dans lequel des impuretés sont délibérément ajoutées à un matériau pour influencer ses propriétés.