Les supraconducteurs : un désordre étonnamment ordonné
Découverte d'un effet surprenant : les atomes sont disposés de manière totalement désordonnée mais produisent un ordre magnétique
La supraconductivité est l'un des thèmes centraux de la science moderne des matériaux : certains matériaux peuvent conduire le courant électrique sans aucune résistance, du moins en dessous d'une certaine température. Toutefois, la question de savoir comment produire des matériaux qui présentent encore cette propriété à des températures plus élevées reste un problème non résolu.
Luka Akšamović et Priyanka Reddy, membres de l'équipe de Neven Barišić
TU Wien
Aujourd'hui, des chercheurs de l'université technique de Vienne ont découvert un lien surprenant entre deux catégories de supraconducteurs en réalité très différentes, les "cuprates" et les "pnictides" : le matériau murunskite combine les propriétés de ces deux catégories de manière inattendue. Ce qui est étonnant, c'est que même si les atomes essentiels de la murunskite sont disposés de manière totalement aléatoire et irrégulière, les propriétés magnétiques sont parfaitement ordonnées, même à des températures étonnamment élevées, et ressemblent à celles des pnictides de fer. De même, dans les cuprates, un type particulier de métallicité - qui ne serait associé qu'à des systèmes exceptionnellement propres - émerge malgré un désordre local important, en même temps que la supraconductivité à haute température. Les "coupables" dans les cuprates et la murunskite sont les orbitales ouvertes des ligands.
Deux mondes - et un entre les deux
Les matériaux qui présentent des propriétés supraconductrices même à des températures relativement élevées - connus sous le nom de supraconducteurs à haute température - doivent normalement cette propriété à l'interaction physique quantique complexe entre différents types d'atomes. Il faut beaucoup d'efforts pour simuler les effets de ces matériaux sur un ordinateur et les comprendre théoriquement.
Toutefois, au cours des dernières décennies, plusieurs classes de matériaux se sont révélées prometteuses pour la recherche sur la supraconductivité, comme la classe des cuprates. Il s'agit de composés céramiques contenant des atomes de cuivre dans lesquels la supraconductivité émerge d'un état isolant après dopage avec des porteurs de charge. Une classe de supraconducteurs totalement différente est celle des pnictides, des matériaux métalliques avec des électrons mobiles.
Les chercheurs de la TU Wien ont maintenant examiné de plus près un autre matériau : la murunskite, un cristal composé de potassium, de fer, de cuivre et de soufre. Bien qu'il ne s'agisse pas d'un supraconducteur à proprement parler, il est étroitement lié aux matériaux supraconducteurs. "La murunskite est en quelque sorte le chaînon manquant entre ces deux catégories de matériaux", explique le professeur Neven Barišić, de l'Institut de physique des solides de l'Université de Vienne. "Il possède une structure cristalline semblable à celle des pnictides, mais des propriétés électroniques similaires à celles des cuprates. Ses propriétés magnétiques sont nouvelles et surprenantes, bien qu'elles rappellent à la fois les cuprates et les pnictides."
Désordre géométrique, ordre magnétique
De nombreux matériaux présentent des effets magnétiques. Cela signifie que les atomes s'alignent magnétiquement de la même manière, comme plusieurs petites aiguilles de boussole pointant toutes dans la même direction. Normalement, les atomes doivent également être disposés géométriquement de manière régulière. C'est la façon universellement acceptée de s'assurer qu'ils s'influencent tous de la même manière, de sorte que l'ordre magnétique puisse se développer sur de longues distances.
Il est toutefois surprenant de constater que ce n'est pas le cas de la murunskite : Dans ce matériau, les atomes ne sont pas disposés régulièrement", explique Priyanka Reddy. À certains endroits du réseau cristallin, il peut y avoir soit un atome de cuivre, soit un atome de fer. Les atomes de cuivre n'ont pas d'effet magnétique, mais les atomes de fer en ont un."
Il n'existe pas de schéma géométrique selon lequel les atomes de cuivre et de fer s'organisent ; ils sont complètement mélangés au hasard. Pourtant, comme l'équipe de chercheurs a pu le démontrer, un ordre magnétique apparaît à une température de moins 176 degrés Celsius (97K) : les atomes de fer s'alignent magnétiquement selon les mêmes schémas, bien qu'ils soient à des distances différentes les uns des autres.
"Dans ce cas, nous parlons d'ordre émergent", explique Davor Tolj. "Même si les atomes ne suivent aucune règle géométrique, ils forment des amas magnétiquement ordonnés - des îlots ordonnés dans une mer d'atomes désordonnés qui, dans un sens, s'accordent sur une direction magnétique commune. Ces grappes sont reliées à d'autres grappes, de sorte que malgré l'absence d'ordre géométrique, un ordre magnétique émerge et s'étend à l'ensemble du cristal.
Ce résultat montre que l'ordre magnétique ne doit pas nécessairement être basé sur un ordre atomique parfait. Cela ouvre de nouvelles voies dans la recherche sur les matériaux et les dispositifs, en relation avec les supraconducteurs et au-delà.
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Publication originale
D. Tolj et al., High-Entropy Magnetsm of Murunskite, Adv. Funct. Mater. 2025, 2500099 (2025)
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