Tout en faisant des échantillons de matériaux pour poursuivre leurs propres objectifs de recherche, des scientifiques du laboratoire Ames du département américain de l'Énergie ont découvert qu'un sous-produit indésirable de leurs expériences était une substance de très haute qualité et difficile à obtenir recherchée par les scientifiques recherchant des matériaux en couches.

Avec un nom de projet comme "États complexes, Emergent Phenomena &Superconductivity in Intermetallic and Metal-like Compounds" on sent immédiatement que l'équipe de scientifiques derrière ce titre pourrait avoir un don pour l'étrange, inhabituel, et du jamais vu. Le groupe Ames Lab étudie les composés métalliques et semi-métalliques qui ont des propriétés magnétiques, supraconducteur, ou d'autres propriétés conçues pour sonder les mystères fondamentaux de la formation d'états corrélés ou émergents et, aussi, pourrait être utile dans de futures applications technologiques, comme la création d'énergie, transmission et stockage ainsi que l'informatique quantique. Mais avant de pouvoir enquêter sur l'étrange, inhabituel, et du jamais vu, ils doivent le faire, donc l'équipe a des décennies d'expertise dans la création de ces matériaux également.

L'un des axes de recherche du groupe est le MgB 2 , un matériau supraconducteur difficile à produire. Si difficile, En réalité, que l'outil utilisé pour le fabriquer s'appelle "La Bête". Tapi dans le sous-sol du Spedding Hall du laboratoire Ames, la Bête est capricieuse, puissant, et un four géant à haute pression qui surchauffe et écrase de minuscules quantités d'ingrédients difficiles à combiner en de nouveaux composés.

Mingyu Xu, un étudiant diplômé, a étudié le MgB 2 , et s'intéresse à la culture pure et dopée, échantillons monocristallins du matériau afin de mieux comprendre ses propriétés supraconductrices. Lui et Raquel Ribeiro, professeur agrégé au Département de physique et d'astronomie de l'Iowa State University, travailler ensemble pour charger des cubes en céramique spécialement conçus (essentiellement des cendres volcaniques) avec les minuscules creusets (tasses) qui seront chauffés à des températures pouvant atteindre 2000 C°, et soumis à des pressions 30, 000 fois supérieure à la pression atmosphérique normale.

"Il faut être très précis, très particulier sur la façon dont nous préparons et chargeons les échantillons, " dit Ribeiro. " Si nous commettons une erreur, si une pièce n'est pas alignée, ça casse, " elle a dit, expliquant le processus impitoyable de fabrication du matériau. La Bête est si exigeante, Xu et Ribeiro gardent une trace de leurs erreurs, comme moyen de documenter comment améliorer leurs méthodes de préparation et leur taux de réussite.

Quand ils réussissent, L'accent de Xu est sur le MgB 2 , au sens propre. Ses images au microscope se concentrent nettement sur la lueur de cristaux de couleur or pâle qui confirment que la Bête a préparé un succès, échantillon de haute qualité. Mais les images capturent aussi autre chose :le MgB tant convoité 2 est entouré d'un nid de translucide, matériau floconneux qui est un sous-produit du processus, appelé nitrure de bore hexagonal, ou hBN.

"Pendant des années, nous avons essayé de minimiser cette deuxième phase irritante, " a déclaré Paul Canfield, Physicien du laboratoire Ames, Professeur émérite et professeur Robert Allen Wright de physique et d'astronomie à l'Iowa State University, et chercheur principal sur le projet. "Notre quête était pour MgB 2 . Nous ne voulions pas d'autres trucs, et j'ai essayé d'optimiser notre processus pour en réduire la quantité."

Dans ses collaborations avec des physiciens d'autres institutions, cependant, il a appris que sa "seconde phase irritante" était en fait un matériau isolant très recherché et difficile à obtenir pour les scientifiques faisant des recherches sur le graphène, le semi-métal en couches 2D découvert pour la première fois en 2010, et est étudié pour ses propriétés fascinantes et inhabituelles de transport d'électrons.

"Imaginez que vous ayez découvert le sandwich, et il est facile d'obtenir le jambon, mais le pain est difficile à trouver. Le pain blanc est ennuyeux par lui-même, mais si tu l'as tu peux faire ton sandwich, " dit Canfield, "hBN est le pain pour faire ce sandwich." Des couches d'isolant hBN séparent le graphène et d'autres nouveaux matériaux électroniques et magnétiques pour créer de nouvelles hétérostructures ; sandwichs de nouvelle physique avec des propriétés qui pourraient finalement remplacer les transistors.

Soudainement, Le groupe de Canfield s'est retrouvé boulangers hBN aux efforts de fabrication de sandwichs 2D d'autres scientifiques - une agitation scientifique, si vous voulez. Xu et Ribeiro ont ajusté leur systématique d'exploitation de la Bête pour optimiser à la fois la production de MgB 2 , et son sous-produit souhaitable. En faisant cela, Ames est devenu l'une des rares sources mondiales de hBN, jouer un rôle clé dans plusieurs publications de grande envergure. Le laboratoire Ames a fourni du hBN au MIT, Rutger, Princeton, Cornell, Stanford, Laurent Livermore, et d'autres établissements. Les recherches qui en ont résulté ont été présentées dans Communication Nature , La nature , et Science .

« C'est vraiment gratifiant que nous ayons un laboratoire national du ministère de l'Énergie, non seulement poursuivant ses propres objectifs de recherche, mais aussi jouer un rôle essentiel en permettant des découvertes clés en physique dans d'autres laboratoires et dans d'autres institutions, " a déclaré Canfield.