En ce qui concerne les supraconducteurs à haute température, « élevé » est un terme relatif. Dans le domaine de la supraconductivité, "haute température" signifie tout ce qui peut encore être supraconducteur à plus de 30 degrés Kelvin (K), ou un doux -405 degrés Fahrenheit (F).

Le premier supraconducteur à haute température a été découvert en 1986, dans des composés céramiques de cuivre et d'oxygène appelés cuprates. Ces matériaux pourraient atteindre une supraconductivité autour de 35 degrés Kelvin ou -396,67 degrés Fahrenheit. Dans les décennies suivantes, cette limite de température a augmenté et, à ce jour, les chercheurs ont atteint la supraconductivité dans les cuprates à des températures allant jusqu'à 135 degrés Kelvin.

C'est un progrès important, être sûr, mais supraconductivité à température ambiante, qui nécessite un fonctionnement à 300 degrés Kelvin, est encore loin, sinon impossible.

L'un des plus grands obstacles est que les chercheurs ne comprennent toujours pas les mécanismes sous-jacents complets de la supraconductivité du cuprate et pourquoi il existe une telle variabilité dans la température de transition supraconductrice parmi les composés de cuprate.

Maintenant, les chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont peut-être la réponse. Les chercheurs, dirigé par Xin Li, Professeur assistant de science des matériaux à SEAS, ont découvert que la force d'une liaison chimique particulière dans les composés de cuprate a un impact sur la température à laquelle le matériau atteint la supraconductivité.

La recherche est publiée dans Lettres d'examen physique .

"Cela pourrait être un nouveau départ pour la conception de matériaux à supraconductivité à haute température, ", a déclaré Li. "Notre recherche met en lumière un élément clé des phénomènes complexes dans les cuprates et nous oriente vers une nouvelle direction passionnante pour la conception de matériaux."

Tous les cuprates ont les mêmes blocs de construction structurels - des plans stratifiés de peroxyde de cuivre (CuO 2 ) avec un ion oxygène hors plan, connu sous le nom d'oxygène apical. Cet ion oxygène se trouve au-dessus de chaque atome de cuivre dans le CuO 2 avion, comme une bouée à la surface de l'eau. La principale différence entre les composés de cuprate vient de quel autre élément est attaché à la bouée à oxygène. Cet élément est connu sous le nom de cation apical et peut être une variété d'éléments, y compris le lanthane, bismuth, le cuivre, ou du mercure.

La température à laquelle le matériau devient supraconducteur varie en fonction de l'élément utilisé, mais personne ne sait vraiment pourquoi.

En comparant simulation et expérimentation, Li et son équipe ont démontré que la clé est la liaison entre le cation apical et l'oxygène apical - plus la liaison chimique est forte, la température plus élevée à laquelle le matériau devient supraconducteur.

Mais pourquoi cette liaison élève-t-elle les températures supraconductrices ?

Les supraconducteurs sont souvent décrits comme des autoroutes d'électrons, ou voies de super covoiturage, dans lequel les électrons appariés sont des voitures et le matériau supraconducteur est le spécial, route sans friction pour que les voitures se déplacent.

Cependant, les électrons ne se déplacent pas vraiment à travers un supraconducteur à haute température comme une voiture sur une route. Au lieu, ils sautent. Ce processus de saut est beaucoup plus facile lorsque le réseau cristallin sur lequel se déplacent les électrons oscille d'une manière particulière.

Une forte liaison chimique entre l'anion apical et le cation apical augmente l'oscillation à la fois du réseau et du courant électrique induit.

Imaginez un cerf-volant attaché à une bouée et plusieurs de ces unités cerf-volant-bouée s'alignent. Si le lien entre le cerf-volant et la bouée est fort, le cerf-volant peut tirer la bouée de haut en bas, provoquant des ondulations et des éclaboussures dans l'eau. Les ondulations s'apparentent à l'oscillation du réseau et les éclaboussures représentent les électrons qui sont poussés hors du CuO 2 avion. Les ondulations et les éclaboussures ne sont pas chaotiques, plutôt, ils suivent en coopération certaines règles qui indiquent aux bouées comment osciller de la meilleure façon pour aider l'électron à sauter facilement le long du matériau.

"Nous avons démontré que cette unité structurelle - la couche d'oxygène du cuivre, l'anion apical, et le cation apical - est un élément fondamental qui peut se coupler dynamiquement pour contrôler les propriétés supraconductrices du matériau, " a déclaré Li. "Cela ouvre une toute nouvelle voie pour explorer les propriétés supraconductrices des matériaux."

Prochain, les chercheurs ont pour objectif d'explorer l'impact de ce nouvel effet sur notre compréhension du mystérieux diagramme de phase dans les supraconducteurs à haute température, y compris le mécanisme d'appariement dans ces supraconducteurs.