Pour la première fois, des chercheurs scrutent l'intérieur de supraconducteurs qui battent des records

Les supraconducteurs se caractérisent par le fait que leur résistance électrique disparaît en dessous d'une température critique spécifique au matériau, ce qui leur permet de conduire l'électricité sans perte. Pour la plupart des matériaux connus, cette température de transition est inférieure à environ 140 kelvins (moins 133 degrés Celsius), ce qui nécessite une technologie de refroidissement complexe pour les applications pratiques. C'est pourquoi les chercheurs s'efforcent de trouver des matériaux qui présentent une supraconductivité à des températures nettement plus élevées.

Les superhydrures sont des composés riches en hydrogène, dans lesquels un métal, tel que le lanthane, est intégré dans un réseau d'hydrogène très dense. Sous une pression extrême, comme celle que l'on trouve à l'intérieur des planètes, ils développent des propriétés électroniques extraordinaires et peuvent présenter une supraconductivité proche de la température ambiante. C'est pourquoi cette classe de matériaux détient actuellement le record mondial de la température de transition critique la plus élevée à laquelle des signes de supraconductivité ont été observés.

Pour créer ces conditions, l'équipe comprime les échantillons dans des cellules à enclumes de diamant entre deux diamants à des pressions supérieures à un million d'atmosphères. Le défi réside dans la taille minuscule des échantillons, ce qui signifie que l'étude nécessite un niveau de précision expérimentale très élevé.

Des superlentilles magnétiques à l'échelle microscopique

C'est là qu'intervient la recherche actuelle : À l'aide de lentilles de Lenz - des anneaux conducteurs microstructurés - les chercheurs concentrent avec précision les champs à haute fréquence nécessaires à la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) à l'intérieur du volume de l'échantillon, ce qui les amplifie considérablement. Cette focalisation permet de réaliser des mesures RMN dans les conditions extrêmes de la cellule à enclume de diamant.

"Nous avons dû concentrer les champs à haute fréquence précisément à l'endroit où l'échantillon se trouve entre les enclumes de diamant, sur une surface de quelques dizaines de micromètres seulement, ce qui est plus petit que le diamètre d'un cheveu humain", explique le Dr Florian Bärtl du laboratoire des champs magnétiques élevés (HLD) de Dresde au HZDR. "Grâce aux lentilles de Lenz, nous avons pu amplifier le signal à haute fréquence à un point tel que, pour la première fois, des données RMN significatives sont devenues accessibles pour les superhydrures. Les mesures fournissent des informations directes sur les propriétés atomiques des matériaux et aident à mieux les comprendre.

Les champs magnétiques les plus élevés comme test de résistance supplémentaire

Auparavant, l'équipe avait également étudié les matériaux à l'aide des aimants pulsés à haut champ du DHN en mesurant leur résistance électrique. Ces champs magnétiques servent de test de résistance pour les supraconducteurs : ils révèlent les intensités de champ maximales jusqu'auxquelles l'état supraconducteur reste stable.

Seule la combinaison des deux approches - études RMN sous haute pression et mesures de résistance aux champs magnétiques les plus élevés - permet d'obtenir une image complète des propriétés physiques de cette classe de matériaux.

Les recherches ont été menées en étroite collaboration avec des experts en hautes pressions du Centre de recherche avancée sur les sciences et technologies des hautes pressions (HPSTAR) de Pékin. "La collaboration avec le HLD a été cruciale pour notre projet", explique le Dr Dmitrii Semenok. "Les installations à haut champ disponibles sur place et l'expertise en matière d'instrumentation à haute fréquence offrent des conditions idéales pour ces expériences."

À long terme, les chercheurs souhaitent mieux comprendre les mécanismes physiques de la supraconductivité dans les matériaux riches en hydrogène et ainsi favoriser le développement futur de nouveaux matériaux pour les technologies à haut rendement énergétique.