L'été dernier, un nouvel âge pour la supraconductivité à haute température a été proclamé :l'âge du nickel. Il a été découvert qu'il existe des supraconducteurs prometteurs dans une classe spéciale de matériaux, les nickelates, qui peut conduire le courant électrique sans aucune résistance même à haute température.

Cependant, il est vite devenu évident que ces résultats initialement spectaculaires de Stanford ne pouvaient pas être reproduits par d'autres groupes de recherche. La TU Wien (Vienne) en a maintenant trouvé la raison :dans certains nickelates, des atomes d'hydrogène supplémentaires sont incorporés dans la structure du matériau. Cela change complètement le comportement électrique du matériau. Dans la production des nouveaux supraconducteurs, cet effet doit maintenant être pris en compte.

La recherche de supraconducteurs à haute température

Certains matériaux ne sont supraconducteurs qu'à une température proche du zéro absolu, de tels supraconducteurs ne conviennent pas aux applications techniques. Par conséquent, depuis des décennies, les gens recherchent des matériaux qui restent supraconducteurs même à des températures plus élevées. Dans les années 1980, « des supraconducteurs à haute température » ​​ont été découverts. Ce que l'on appelle dans ce contexte « hautes températures », cependant, est encore très froid :même les supraconducteurs à haute température doivent être fortement refroidis pour obtenir leurs propriétés supraconductrices. Par conséquent, la recherche de nouveaux supraconducteurs à des températures encore plus élevées se poursuit.

"Pendant longtemps, une attention particulière a été portée aux cuprates, c'est-à-dire des composés contenant du cuivre. C'est pourquoi on parle aussi de l'âge du cuivre", explique le professeur Karsten Held de l'Institut de physique des solides de la TU Wien. "Avec ces cuprates, des progrès importants ont été réalisés, même s'il reste encore de nombreuses questions ouvertes dans la théorie de la supraconductivité à haute température aujourd'hui".

Mais depuis quelque temps, d'autres possibilités ont également été envisagées. Il y avait déjà un soi-disant "âge du fer" basé sur des supraconducteurs contenant du fer. A l'été 2019, le groupe de recherche du groupe de recherche Harold Y. Hwang de Stanford a alors réussi à démontrer la supraconductivité à haute température dans les nickelates. « Sur la base de nos calculs, nous avons déjà proposé des nickelates comme supraconducteurs il y a 10 ans, mais ils étaient quelque peu différents de ceux qui ont maintenant été découverts. Ils sont liés aux cuprates, mais contiennent du nickel au lieu d'atomes de cuivre, " dit Karsten Held.

Le problème avec l'hydrogène

Après un certain enthousiasme initial, cependant, il est devenu évident ces derniers mois que les supraconducteurs au nickel sont plus difficiles à produire qu'on ne le pensait initialement. D'autres groupes de recherche ont signalé que leurs nickelates n'avaient pas de propriétés supraconductrices. Cette apparente contradiction a maintenant été clarifiée à la TU Wien.

"Nous avons analysé les nickelates à l'aide de superordinateurs et avons constaté qu'ils sont extrêmement réceptifs à l'hydrogène dans le matériau, " rapporte Liang Si (TU Vienne). Dans la synthèse de certains nickelates, des atomes d'hydrogène peuvent être incorporés, ce qui change complètement les propriétés électroniques du matériau. "Toutefois, cela n'arrive pas avec tous les nickelates, " dit Liang Si, "Nos calculs montrent que pour la plupart d'entre eux, il est énergétiquement plus favorable d'incorporer de l'hydrogène, mais pas pour les nickelates de Stanford. Même de petits changements dans les conditions de synthèse peuvent faire la différence." Vendredi dernier, le groupe autour d'Ariando Ariando du NUS de Singapour a pu rapporter qu'ils ont également réussi à produire des nickelates supraconducteurs. Ils ont laissé l'hydrogène libéré lors du processus de production s'échapper immédiatement.

Calcul de la température critique avec des supercalculateurs

A TU Wien, de nouvelles méthodes de calcul informatique sont développées et utilisées pour comprendre et prédire les propriétés des nickelates. "Comme un grand nombre de particules de physique quantique jouent toujours un rôle ici en même temps, les calculs sont extrêmement complexes, " dit Liang Si, "Mais en combinant différentes méthodes, on est même maintenant en mesure d'estimer la température critique jusqu'à laquelle les différents matériaux sont supraconducteurs. Des calculs aussi fiables n'étaient pas possibles auparavant. l'équipe de la TU Wien a pu calculer la plage autorisée de concentration de strontium pour laquelle les nickelates sont supraconducteurs - et cette prédiction a maintenant été confirmée expérimentalement.

« La supraconductivité à haute température est un domaine de recherche extrêmement complexe et difficile, " dit Karsten Held. " Les nouveaux supraconducteurs au nickel, avec nos connaissances théoriques et le pouvoir prédictif des calculs informatiques, ouvrent une toute nouvelle perspective sur le grand rêve de la physique du solide :un supraconducteur à température ambiante qui fonctionne donc sans aucun refroidissement. »