Des chercheurs de la North Carolina State University ont considérablement augmenté la température à laquelle les matériaux à base de carbone agissent comme des supraconducteurs, à l'aide d'un roman, matériau Q-carbone dopé au bore.

Le précédent record de supraconductivité dans le diamant dopé au bore était de 11 Kelvin, ou moins 439,60 degrés Fahrenheit. Le carbone Q dopé au bore s'est avéré supraconducteur de 37K à 57K, qui est de moins 356,80 degrés F.

"Passer de 11K à 57K est un grand saut pour la supraconductivité BCS conventionnelle, " dit Jay Narayan, John C. Fan Distinguished Chair Professor of Materials Science and Engineering à NC State et auteur principal de deux articles décrivant le travail. BCS fait référence à la théorie de la supraconductivité de Bardeen-Cooper-Schrieffer.

Les matériaux conducteurs réguliers conduisent l'électricité, mais une grande partie de cette énergie est perdue pendant la transmission. Les supraconducteurs peuvent supporter des courants beaucoup plus élevés par centimètre carré et ne perdent pratiquement aucune énergie par transmission. Cependant, les supraconducteurs n'ont ces propriétés souhaitables qu'à basse température. L'identification des moyens d'atteindre la supraconductivité à des températures plus élevées - sans appliquer de haute pression - est un domaine actif de la recherche sur les matériaux.

Pour fabriquer le Q-carbone dopé au bore, les chercheurs enduisent un substrat d'un mélange de carbone amorphe et de bore. Le mélange est ensuite frappé par une seule impulsion laser d'une durée de quelques nanosecondes seulement. Pendant cette impulsion, la température du carbone est portée à 4, 000 Kelvin puis rapidement éteint.

"En incorporant du bore dans le carbone Q, nous éliminons les propriétés ferromagnétiques du matériau et lui donnons des propriétés supraconductrices, " Narayan dit. " Jusqu'à présent, chaque fois que nous avons augmenté la quantité de bore, la température à laquelle le matériau conserve ses propriétés supraconductrices a augmenté.

"Ce processus augmente la densité d'états porteurs près du niveau de Fermi, " par rapport au diamant dopé au bore, dit Narayan.

"L'avancée des matériaux ici est que ce processus permet une concentration en bore dans un matériau carboné bien supérieure à ce qui serait possible avec les méthodes d'équilibre existantes, tels que le dépôt chimique en phase vapeur, " dit Narayan. " En utilisant des méthodes d'équilibre, vous ne pouvez incorporer du bore dans le carbone Q qu'à 2 pour cent atomiques - deux atomes sur 100. En utilisant notre laser, processus de non-équilibre, nous avons atteint des niveaux aussi élevés que 27 % atomiques."

Cette concentration plus élevée de bore est ce qui donne au matériau ses caractéristiques de supraconductivité à une température plus élevée.

« Le laboratoire national d'Oak Ridge a confirmé nos découvertes sur une densité d'états plus élevée en utilisant la spectroscopie de perte d'énergie des électrons, " dit Narayan.

"Nous prévoyons d'optimiser le matériau pour augmenter la température à laquelle il est supraconducteur, " dit Narayan. " Cette percée dans la supraconductivité à haute température du Q-carbone est scientifiquement passionnante avec un chemin vers la supraconductivité à température ambiante dans un roman fortement lié, matériaux de masse légère. La supraconductivité dans Q-carbon a une importance particulière pour les applications pratiques, comme il est transparent, super dur et dur, biocompatible, résistant à l'érosion et à la corrosion. Rien de tel n'existe aujourd'hui.

"Il existe déjà des systèmes de réfrigération à l'hélium à cycle fermé conçus pour être utilisés avec des supraconducteurs qui peuvent facilement atteindre des températures aussi basses que 10K, " dit Narayan. " Le carbone Q dopé B peut supporter jusqu'à 43 millions d'ampères par centimètre carré à 21K en présence d'un champ magnétique de deux Tesla. Depuis que nous avons démontré la supraconductivité à 57K, cela signifie que le Q-carbone dopé est déjà viable pour les applications."

Le papier le plus récent, "Un nouveau supraconducteur à base de carbone à haute température :le carbone Q dopé B, " est publié dans le Journal de physique appliquée . Un article antérieur, "Supraconductivité à haute température dans le carbone Q dopé au bore, " est publié dans la revue ACS Nano .