Depuis la découverte en 1986 que les matériaux à base d'oxyde de cuivre, ou cuprates, pourrait transporter du courant électrique sans perte à des températures étonnamment élevées, les scientifiques ont recherché d'autres supraconducteurs non conventionnels qui pourraient fonctionner encore plus près de la température ambiante. Cela permettrait une multitude d'applications quotidiennes qui pourraient transformer la société en rendant la transmission de l'énergie plus efficace, par exemple.

Oxydes de nickel, ou nickelates, semblait être un candidat prometteur. Ils sont à base de nickel, qui se trouve à côté du cuivre sur le tableau périodique, et les deux éléments ont des caractéristiques communes. Il n'était pas déraisonnable de penser que la supraconductivité en ferait partie.

Mais il a fallu des années d'essais avant que les scientifiques du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie et de l'Université de Stanford ne créent enfin le premier nickelate qui montrait des signes évidents de supraconductivité.

Maintenant SLAC, Stanford, et les chercheurs de Diamond Light Source ont effectué les premières mesures des excitations magnétiques qui se sont propagées à travers le nouveau matériau comme des ondulations dans un étang. Les résultats révèlent à la fois des similitudes importantes et des différences subtiles entre les nickelates et les cuprates. Les scientifiques ont publié leurs résultats dans Science aujourd'hui.

"C'est excitant, car cela nous donne un nouvel angle pour explorer le fonctionnement des supraconducteurs non conventionnels, qui reste une question ouverte après plus de 30 ans de recherche, " dit Haiyu Lu, un étudiant diplômé de Stanford qui a effectué la majeure partie de la recherche avec le chercheur postdoctoral de Stanford Matteo Rossi et le scientifique du SLAC Wei-Sheng Lee.

"Entre autres, " il a dit, « nous voulons comprendre la nature de la relation entre les cuprates et les nickelates :sont-ils juste des voisins, saluer de la main et se séparer, ou plutôt des cousins ​​qui partagent des traits de famille et des façons de faire ?"

Les résultats de cette étude, il a dit, ajouter à un nombre croissant de preuves que leur relation est proche.

Tourne dans un damier

Les cuprates et les nickelates ont des structures similaires, avec leurs atomes disposés en un réseau rigide. Les deux viennent en mince, 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 la densité de leurs électrons libres est ajustée dans un processus connu sous le nom de dopage.

Le premier nickelate supraconducteur a été découvert en 2019 au SLAC et à Stanford. L'année dernière, la même équipe SLAC/Stanford qui a réalisé cette dernière expérience a publié la première étude détaillée du comportement électronique du nickelate. Cette étude a établi que dans le nickelate non dopé, les électrons circulent librement dans les couches d'oxyde de nickel, mais les électrons des couches intermédiaires contribuent également aux électrons du flux. Cela crée un état métallique 3D assez différent de ce que l'on voit dans les cuprates, qui sont des isolants lorsqu'ils ne sont pas dopés.

Le magnétisme est également important dans la supraconductivité. Il est créé par les spins des électrons d'un matériau. Quand ils sont tous orientés dans la même direction, soit vers le haut, soit vers le bas, le matériau est magnétique dans le sens où il pourrait coller à la porte de votre réfrigérateur.

Cuprates, d'autre part, sont antiferromagnétiques :leurs spins électroniques forment un motif en damier, Ainsi, chaque rotation descendante est entourée de rotations ascendantes et vice versa. Les vrilles alternées s'annulent, le matériau dans son ensemble n'est donc pas magnétique au sens ordinaire du terme.

Le nickelate aurait-il les mêmes caractéristiques ? Découvrir, les chercheurs en ont prélevé des échantillons au synchrotron Diamond Light Source au Royaume-Uni pour examen avec diffusion inélastique résonnante des rayons X, ou RIXS. Dans cette technique, des scientifiques diffusent des rayons X sur un échantillon de matériau. Cette injection d'énergie crée des excitations magnétiques, des ondulations qui traversent le matériau et inversent aléatoirement les spins de certains de ses électrons. RIXS permet aux scientifiques de mesurer des excitations très faibles qui ne pourraient pas être observées autrement.

Création de nouvelles recettes

"Ce que nous trouvons est assez intéressant, " Lee a déclaré. "Les données montrent que le nickelate a le même type d'interaction antiferromagnétique que les cuprates. Il a également une énergie magnétique similaire, qui reflète la force des interactions entre spins voisins qui maintiennent cet ordre magnétique en place. Cela implique que le même type de physique est important dans les deux. »

Mais il y a aussi des différences, a noté Rossi. Les excitations magnétiques ne se propagent pas aussi loin dans les nickelates, et meurent plus vite. Le dopage affecte également les deux matériaux différemment; les "trous" chargés positivement qu'il crée sont concentrés autour des atomes de nickel dans les nickelates et autour des atomes d'oxygène dans les cuprates, et cela affecte le comportement de leurs électrons.

Alors que ce travail se poursuit, Rossi a dit, l'équipe testera comment le dopage du nickelate de diverses manières et l'échange de différents éléments de terres rares dans les couches entre les feuilles d'oxyde de nickel affectent la supraconductivité du matériau, ouvrant la voie, ils espèrent, à la découverte de meilleurs supraconducteurs.