03.08.2022 - SLAC National Accelerator Laboratory

Une étude révèle que les supraconducteurs à base de nickelate sont intrinsèquement magnétiques.

Des ondes d'excitation magnétique traversent ce nouveau matériau passionnant, qu'il soit ou non en mode supraconducteur.

Les électrons se repoussent mutuellement. Rien de personnel - c'est juste que leurs charges négatives se repoussent mutuellement. Pour qu'ils s'associent et se déplacent ensemble, comme ils le font dans les matériaux supraconducteurs, il faut un petit coup de pouce.

Dans les supraconducteurs classiques, découverts en 1911 et qui conduisent le courant électrique sans résistance, mais uniquement à des températures extrêmement basses, le coup de pouce provient des vibrations du réseau atomique du matériau.

Mais dans les supraconducteurs plus récents, dits "non conventionnels" - qui sont particulièrement intéressants en raison de leur potentiel de fonctionnement à une température proche de la température ambiante pour des applications telles que la transmission d'énergie sans perte - personne ne sait avec certitude ce qu'est ce coup de pouce, bien que les chercheurs pensent qu'il pourrait s'agir de bandes de charge électrique, de vagues de spins d'électrons qui créent des excitations magnétiques, ou d'une combinaison de ces éléments.

Dans l'espoir d'en savoir plus en abordant le problème sous un angle légèrement différent, des chercheurs de l'université de Stanford et du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'énergie ont synthétisé une autre famille de supraconducteurs non conventionnels : les oxydes de nickel, ou nickelates. Depuis lors, ils ont passé trois ans à étudier les propriétés des nickelates et à les comparer à l'un des supraconducteurs non conventionnels les plus célèbres, les oxydes de cuivre ou cuprates.

Dans un article publié aujourd'hui dans Nature Physics, l'équipe signale une différence significative : Contrairement aux cuprates, les champs magnétiques des nickelates sont toujours actifs.

Le magnétisme : Ami ou ennemi ?

Selon les scientifiques, les nickelates sont intrinsèquement magnétiques, comme si chaque atome de nickel tenait un petit aimant. Cela est vrai que le nickelate soit dans son état normal, non supraconducteur, ou dans un état supraconducteur où les électrons se sont appariés et ont formé une sorte de soupe quantique qui peut accueillir des phases entrelacées de matière quantique. Les cuprates, en revanche, ne sont pas magnétiques dans leur état supraconducteur.

"Cette étude a examiné les propriétés fondamentales des nickelates par rapport aux cuprates, et ce que cela peut nous apprendre sur les supraconducteurs non conventionnels en général", a déclaré Jennifer Fowlie, chercheuse postdoctorale au Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) du SLAC, qui a dirigé les expériences.

Certains chercheurs pensent que le magnétisme et la supraconductivité se font concurrence dans ce type de système, a-t-elle ajouté ; d'autres pensent qu'il ne peut y avoir de supraconductivité sans magnétisme à proximité.

"Bien que nos résultats ne tranchent pas cette question, ils mettent en évidence les domaines dans lesquels des travaux supplémentaires devraient probablement être effectués", a déclaré Mme Fowlie. "Et c'est la première fois que le magnétisme est examiné à la fois dans l'état supraconducteur et dans l'état normal des nickelates."

Harold Hwang, professeur au SLAC et à Stanford et directeur de SIMES, a déclaré : "Il s'agit d'une autre pièce importante du puzzle que la communauté des chercheurs est en train d'assembler alors que nous nous efforçons d'encadrer les propriétés et les phénomènes au cœur de ces matériaux passionnants."

Le muon entre en scène

Peu de choses sont faciles dans ce domaine de recherche, et l'étude des nickelates a été plus difficile que la plupart des autres.

Alors que les théoriciens avaient prédit, il y a plus de 20 ans, que leur similitude chimique avec les cuprates rendait probable leur supraconductivité, les nickelates sont si difficiles à fabriquer qu'il a fallu des années d'essais avant que l'équipe du SLAC et de Stanford n'y parvienne.

Même dans ce cas, ils n'ont pu produire que de fines pellicules du matériau, et non les morceaux plus épais nécessaires pour explorer ses propriétés avec les techniques courantes. Un certain nombre de groupes de recherche dans le monde ont travaillé sur des moyens plus faciles de synthétiser les nickelates sous n'importe quelle forme, a déclaré Hwang.

L'équipe de recherche s'est donc tournée vers une méthode plus exotique, appelée rotation/relaxation de spin de muons à basse énergie, qui permet de mesurer les propriétés magnétiques des films minces et qui n'est disponible qu'à l'Institut Paul Scherrer (PSI) en Suisse.

Les muons sont des particules chargées fondamentales semblables aux électrons, mais 207 fois plus massives. Ils ne restent en place que pendant 2,2 millionièmes de seconde avant de se désintégrer. Les muons chargés positivement, qui sont souvent préférés pour des expériences comme celle-ci, se désintègrent en un positron, un neutrino et un antineutrino. Comme leurs cousins les électrons, ils tournent comme des toupies et changent la direction de leur rotation en réponse aux champs magnétiques. Mais ils ne peuvent "sentir" ces champs que dans leur environnement immédiat, jusqu'à une distance d'environ un nanomètre, soit un milliardième de mètre.

Au PSI, les scientifiques utilisent un faisceau de muons pour intégrer les petites particules dans le matériau qu'ils souhaitent étudier. Lorsque les muons se désintègrent, les positrons qu'ils produisent s'envolent dans la direction de la rotation du muon. En remontant jusqu'à l'origine des positrons, les chercheurs peuvent voir dans quelle direction les muons pointaient lorsqu'ils ont disparu et déterminer ainsi les propriétés magnétiques globales du matériau.

Trouver une solution de rechange

L'équipe du SLAC a demandé à réaliser des expériences avec le système PSI en 2020, mais la pandémie a rendu impossible tout déplacement en Suisse. Heureusement, Fowlie était alors postdoc à l'Université de Genève et prévoyait déjà de venir au SLAC pour travailler dans le groupe de Hwang. Elle a donc commencé la première série d'expériences en Suisse avec une équipe dirigée par Andreas Suter, un scientifique senior du PSI et un expert dans l'extraction d'informations sur la supraconductivité et le magnétisme à partir des données de désintégration du muon.

Après son arrivée à SLAC en mai 2021, Fowlie a immédiatement commencé à fabriquer divers types de composés de nickelate que l'équipe voulait tester lors de sa deuxième série d'expériences. Lorsque les restrictions de voyage ont pris fin, l'équipe a enfin pu retourner en Suisse pour terminer son étude.

Le dispositif expérimental unique du PSI permet aux scientifiques d'incorporer des muons à des profondeurs précises dans les matériaux de nickelate. Ils ont ainsi pu déterminer ce qui se passait dans chaque couche très mince de divers composés de nickelate aux compositions chimiques légèrement différentes. Ils ont découvert que seules les couches contenant des atomes de nickel étaient magnétiques.

L'intérêt pour les nickelates est très élevé dans le monde entier, a déclaré Hwang. Une demi-douzaine de groupes de recherche ont publié leurs propres méthodes de synthèse des nickelates et s'efforcent d'améliorer la qualité des échantillons qu'ils étudient, et un grand nombre de théoriciens tentent de trouver des idées pour orienter la recherche dans des directions productives.

"Nous essayons de faire ce que nous pouvons avec les ressources dont nous disposons en tant que communauté de recherche", a-t-il déclaré, "mais nous pouvons encore apprendre et faire beaucoup plus."

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.

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