Une étude SLAC/Stanford a révélé qu'une famille récemment découverte de supraconducteurs au nickel diffère de manière surprenante d'une famille apparentée, les cuprates. Les deux viennent dans des plans d'oxyde 2D (rouge, vert, et des sphères grises représentant du cuivre, les ions nickel et oxygène, respectivement) séparés par des couches d'un matériau de terres rares (sphères d'or). Les cuprates sont intrinsèquement des isolants, et même quand ils sont dopés pour ajouter des électrons libres (sphères bleues), comme montré ici, leurs électrons partent rarement pour interagir avec d'autres couches de matière. Mais ces nickelates sont intrinsèquement des métaux. Même dans l'état non dopé représenté ici, leurs électrons se mélangent aux électrons des couches de terres rares d'une manière qui crée un état métallique 3D. Crédit :Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
La découverte l'année dernière du premier matériau d'oxyde de nickel qui montre des signes évidents de supraconductivité a déclenché une course de scientifiques du monde entier pour en savoir plus. La structure cristalline du matériau est similaire aux oxydes de cuivre, ou cuprates, qui détiennent le record mondial de conduction électrique sans perte à des températures relativement élevées et des pressions normales. Mais ses électrons se comportent-ils de la même manière ?
Les réponses pourraient aider à faire avancer la synthèse de nouveaux supraconducteurs non conventionnels et leur utilisation pour la transmission d'énergie, transport et autres applications, et éclairent également le fonctionnement des cuprates, qui reste un mystère après plus de 30 ans de recherche.
Dans un article publié aujourd'hui dans Matériaux naturels , une équipe dirigée par des scientifiques du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie et de l'Université de Stanford rapporte la première étude détaillée de la structure électronique des oxydes de nickel supraconducteurs, ou nickelates. Les scientifiques ont utilisé deux techniques, diffusion inélastique résonante des rayons X (RIXS) et spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS), pour obtenir la première image complète de la structure électronique des nickelates - essentiellement l'arrangement et le comportement de leurs électrons, qui déterminent les propriétés d'un matériau.
Les cuprates et les nickelates sont tous deux minces, des feuilles bidimensionnelles superposées à d'autres éléments, comme les ions de terres rares. Ces feuilles minces deviennent supraconductrices lorsqu'elles sont refroidies en dessous d'une certaine température et que la densité de leurs électrons libres est ajustée dans un processus connu sous le nom de "dopage".
Les cuprates sont des isolants dans leurs états « fondamentaux » prédopés, ce qui signifie que leurs électrons ne sont pas mobiles. Après dopage, les électrons peuvent se déplacer librement mais ils sont principalement confinés aux couches de cuprate, voyageant rarement à travers les couches de terres rares intermédiaires pour atteindre leurs voisins cuprates.
Mais dans les nickelates, l'équipe a découvert, ce n'est pas le cas. Le composé non dopé est un métal avec des électrons circulant librement. Par ailleurs, les couches intermédiaires apportent en fait des électrons aux feuilles de nickel, créant un état métallique tridimensionnel assez différent de ce que l'on voit dans les cuprates.
Il s'agit d'un tout nouveau type d'état fondamental pour les oxydes de métaux de transition tels que les cuprates et les nickelates, les chercheurs ont dit. Il ouvre de nouvelles voies pour les expériences et les études théoriques sur la façon dont la supraconductivité apparaît et comment elle peut être optimisée dans ce système et éventuellement dans d'autres composés.
