L’hydrogène (comme beaucoup d’entre nous) agit bizarrement sous pression. La théorie prédit que lorsqu'il est écrasé par le poids de plus d'un million de fois celui de notre atmosphère, cet élément léger, abondant et normalement gazeux, devient d'abord un métal et, plus étrange encore, un supraconducteur, un matériau qui conduit l'électricité sans résistance.

Les scientifiques étaient impatients de comprendre et, à terme, d’exploiter les composés supraconducteurs riches en hydrogène, appelés hydrures, pour des applications pratiques, depuis les trains en lévitation jusqu’aux détecteurs de particules. Mais étudier le comportement de ces matériaux et d'autres sous des pressions énormes et soutenues est tout sauf pratique, et mesurer avec précision ces comportements se situe entre le cauchemar et l'impossible.

Comme la calculatrice l'a fait pour l'arithmétique et ChatGPT pour rédiger des essais de cinq paragraphes, les chercheurs de Harvard pensent qu'ils disposent d'un outil fondamental pour résoudre le problème épineux de la façon de mesurer et d'imager le comportement des supraconducteurs hydrures à haute pression.

Publication dans Nature , ils rapportent avoir intégré de manière créative des capteurs quantiques dans un dispositif inducteur de pression standard, permettant des lectures directes des propriétés électriques et magnétiques du matériau sous pression.

L'innovation est le fruit d'une collaboration de longue date entre le professeur de physique Norman Yao Ph.D. et Christopher Laumann, professeur à l'Université de Boston et ancien boursier postdoctoral de Harvard, qui ont rompu avec leur formation de théoricien pour se lancer dans les considérations pratiques de la mesure des hautes pressions il y a plusieurs années.

La méthode standard pour étudier les hydrures sous des pressions extrêmes consiste à utiliser un instrument appelé cellule à enclume en diamant, qui presse une petite quantité de matériau entre deux interfaces en diamant taille brillant.

Pour détecter quand un échantillon a été suffisamment écrasé pour devenir supraconducteur, les physiciens recherchent généralement une double signature :une chute de la résistance électrique jusqu'à zéro, ainsi que la répulsion de tout champ magnétique proche, alias l'effet Meissner. (C'est pourquoi un supraconducteur en céramique, lorsqu'il est refroidi avec de l'azote liquide, plane au-dessus d'un aimant).

Le problème réside dans la capture de ces détails. Afin d'appliquer la pression requise, l'échantillon doit être maintenu en place par un joint qui répartit uniformément l'écrasement, puis enfermé dans une chambre. Il est donc difficile de « voir » ce qui se passe à l'intérieur, c'est pourquoi les physiciens ont dû utiliser des solutions de contournement qui impliquent plusieurs échantillons pour mesurer séparément différents effets.

"Le domaine des hydrures supraconducteurs a été un peu controversé, en partie parce que les techniques de mesure à haute pression sont très limitées", a déclaré Yao.

"Le problème est que vous ne pouvez pas simplement insérer un capteur ou une sonde à l'intérieur, car tout est fermé et à très haute pression. Cela rend extrêmement difficile l'accès aux informations locales depuis l'intérieur de la chambre. En conséquence, personne n'a vraiment observé les doubles signatures de la supraconductivité dans un seul échantillon."

Pour résoudre le problème, les chercheurs ont conçu et testé une mise à niveau intelligente :ils ont intégré une fine couche de capteurs, constitués de défauts naturels dans le réseau cristallin atomique du diamant, directement sur la surface de l'enclume de diamant. Ils ont utilisé ces capteurs quantiques efficaces, appelés centres de lacunes d'azote, pour imager les régions à l'intérieur de la chambre pendant que l'échantillon est sous pression et traverse le territoire supraconducteur.

Pour prouver leur concept, ils ont travaillé avec de l'hydrure de cérium, un matériau connu pour devenir supraconducteur à environ un million d'atmosphères de pression, ou ce que les physiciens appellent le régime mégabar.

Le nouvel outil pourrait aider le domaine non seulement en permettant la découverte de nouveaux hydrures supraconducteurs, mais également en permettant un accès plus facile à ces caractéristiques convoitées dans les matériaux existants, pour une étude continue.

"Vous pouvez imaginer que parce que vous fabriquez maintenant quelque chose dans une cellule à enclume en diamant [vacance d'azote], et que vous pouvez immédiatement voir que" cette zone est maintenant supraconductrice, cette zone ne l'est pas ", vous pourriez optimiser votre synthèse et proposer un moyen de produire de bien meilleurs échantillons", a déclaré Laumann.

Plus d'informations : Norman Yao, Imagerie de l'effet Meissner dans les supraconducteurs hydrures à l'aide de capteurs quantiques, Nature (2024). DOI :10.1038/s41586-024-07026-7. www.nature.com/articles/s41586-024-07026-7

Informations sur le journal : Nature

Fourni par l'Université Harvard