Des scientifiques du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie et de l'Université de Stanford ont fabriqué le premier matériau d'oxyde de nickel qui montre des signes évidents de supraconductivité, c'est-à-dire la capacité de transmettre un courant électrique sans perte.

Également connu sous le nom de nickelate, c'est le premier d'une nouvelle famille potentielle de supraconducteurs non conventionnels très similaire aux oxydes de cuivre, ou cuprates, dont la découverte en 1986 a fait espérer que les supraconducteurs pourraient un jour fonctionner à une température proche de la température ambiante et révolutionner les appareils électroniques, transmission d'énergie et d'autres technologies. Ces similitudes amènent les scientifiques à se demander si les nickelates pourraient également être supraconducteurs à des températures relativement élevées.

À la fois, le nouveau matériau semble différent des cuprates de manière fondamentale - par exemple, il peut ne pas contenir un type de magnétisme que tous les cuprates supraconducteurs ont, et cela pourrait renverser les principales théories sur le fonctionnement de ces supraconducteurs non conventionnels. Après plus de trois décennies de recherche, personne n'a épinglé cela.

Les expériences ont été dirigées par Danfeng Li, chercheur postdoctoral au Stanford Institute for Materials and Energy Sciences au SLAC, et décrit aujourd'hui dans La nature .

"C'est une découverte très importante qui nous oblige à repenser les détails de la structure électronique et les mécanismes possibles de la supraconductivité dans ces matériaux, " a déclaré George Sawatzky, un professeur de physique et de chimie à l'Université de la Colombie-Britannique qui n'a pas participé à l'étude mais a écrit un commentaire qui accompagnait l'article en La nature . "Cela va amener énormément de gens à se lancer dans l'enquête sur cette nouvelle classe de matériaux, et toutes sortes de travaux expérimentaux et théoriques seront effectués."

Un chemin difficile

Depuis la découverte des supraconducteurs cuprates, les scientifiques ont rêvé de fabriquer des matériaux d'oxyde similaires à base de nickel, qui est juste à côté du cuivre sur le tableau périodique des éléments.

Mais fabriquer des nickelates avec une structure atomique propice à la supraconductivité s'est avéré être étonnamment difficile.

"Pour autant que nous sachions, le nickelate que nous essayions de fabriquer n'est pas stable aux températures très élevées - environ 600 degrés Celsius - où ces matériaux sont normalement cultivés, ", a déclaré Li. "Nous devions donc commencer avec quelque chose que nous pouvons cultiver de manière stable à des températures élevées, puis le transformer à des températures plus basses sous la forme que nous voulions."

Il a commencé avec une pérovskite, un matériau défini par son caractère unique, structure atomique à double pyramide - qui contenait du néodyme, nickel et oxygène. Puis il a dopé la pérovskite en ajoutant du strontium; il s'agit d'un processus courant qui ajoute des produits chimiques à un matériau pour faire circuler plus librement ses électrons.

Cela a volé des électrons aux atomes de nickel, laissant des "trous" vacants, " et les atomes de nickel n'en étaient pas contents, dit Li. Le matériau était maintenant instable, faire l'étape suivante - faire pousser un film mince sur une surface - vraiment difficile ; il lui a fallu six mois pour le faire fonctionner.

« La chimie Jenga »

Une fois cela fait, Li a coupé le film en petits morceaux, lâchement enveloppé dans du papier d'aluminium et scellé dans un tube à essai avec un produit chimique qui a soigneusement arraché une couche de ses atomes d'oxygène, un peu comme retirer un bâton d'une tour bancale de blocs Jenga. Cela a fait basculer le film dans une structure atomique entièrement nouvelle :un nickelate dopé au strontium.

"Chacune de ces étapes avait été démontrée auparavant, " Li a dit, "mais pas dans cette combinaison."

Il se souvient du moment exact dans le laboratoire, vers 2 heures du matin, lorsque les tests ont indiqué que le nickelate dopé pourrait être supraconducteur. Li était tellement excité qu'il est resté éveillé toute la nuit, et, le matin, a coopté la réunion régulière de son groupe de recherche pour leur montrer ce qu'il avait trouvé. Bientôt, de nombreux membres du groupe l'ont rejoint dans un effort 24 heures sur 24 pour améliorer et étudier ce matériel.

Des tests supplémentaires révéleraient que le nickelate était en effet supraconducteur dans une plage de température de 9 à 15 kelvins - incroyablement froid, mais un premier départ, avec des possibilités de températures plus élevées à venir.

Plus de travail à venir

La recherche sur le nouveau matériau est dans un "très, stade très précoce, et il y a beaucoup de travail à venir, " a averti Harold Hwang, un enquêteur SIMES, professeur au SLAC et à Stanford et auteur principal du rapport. "Nous venons de voir les premières expériences de base, et maintenant nous devons faire toute la batterie d'enquêtes qui sont toujours en cours avec les cuprates."

Entre autres, il a dit, les scientifiques voudront doper le matériau nickelé de diverses manières pour voir comment cela affecte sa supraconductivité dans une gamme de températures, et déterminer si d'autres nickelates peuvent devenir supraconducteurs. D'autres études exploreront la structure magnétique du matériau et sa relation avec la supraconductivité.