Une supraconductivité exotique découverte dans un oxyde de nickel

Nathalie Mayer source : Futura Sciences

Journaliste

Publié le 29/08/2019

Modifié le 30/08/2019

Des années qu'ils y travaillaient. Des physiciens viennent enfin de mettre au point un oxyde de nickel qui montre des signes de supraconductivité. Le premier, espèrent-ils, d'une nouvelle famille de supraconducteurs. Une découverte qui pourrait remettre en question quelques théories établies. 

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Dans les années 1980, des physiciens mettaient pour la première fois en évidence la supraconductivité à haute température -- quelque 35 kelvins, soit -238,15 °C -- dans un oxyde de cuivre, un cuprate. Plus précisément dans l'oxyde mixte de baryum, de cuivre et de lanthane(LBCO). Une découverte qui laissait alors espérer que les supraconducteurs pourraient fonctionner à une température proche de la température ambiante.

Tout en continuant à étudier les cuprates pour comprendre les mécanismes de leur supraconductivité, les chercheurs ont pensé à fabriquer des oxydes similaires, mais à base de nickel, un élément proche du cuivre dans le tableau périodique. Dans l'espoir qu'ils se révèlent eux aussi supraconducteurs. Mais la tâche s'est avérée extrêmement complexe. Et aujourd'hui, des physiciens du Laboratoire national de l’accélérateur SLAC (États-Unis) annoncent avoir enfin obtenu ce qu'ils appellent un nickelate montrant des signes évidents de supraconductivité. Le premier d'une nouvelle famille potentielle de supraconducteurs non conventionnels.

Pour base, les chercheurs ont choisi une pérovskite -- un matériau défini par sa structure atomique unique à double pyramide -- contenant du néodyme, du nickel et de l'oxygène. Ils l'ont ensuite dopé avec du strontium pour obtenir un matériau qualifié de nickelate, de formule Nd_0.8Sr_0.2NiO₂et de structure semblable aux cuprates.

Pour mettre au point leur nouveau type de matériau supraconducteur, les scientifiques du Laboratoire national de l’accélérateur SLAC (États-Unis) ont d’abord réalisé un film mince à partir d’un matériau commun appelé pérovskite, à gauche. Ils l’ont dopé avec du strontium et ensuite exposé à un produit chimique qui a arraché une couche d’atomes d’oxygène, un peu comme si on retirait un bâton d’une tour de Jenga. De quoi obtenir une structure atomique différente connue sous le nom de nickelate, à droite. © Danfeng Li, SLAC 

Quel mécanisme à l’origine de la supraconductivité ?

Ce nouveau matériau semble toutefois différer des cuprates de manière fondamentale. Jusqu'à une température de 1,7 kelvin (-271,4 °C), il ne présente en effet aucun signe d'ordre magnétique. Ce qui remettrait en cause les théories décrivant le mécanisme de la supraconductivité non conventionnelle comme résultante de propriétés magnétiques. À supposer toutefois que la structure électronique du nickelate soit bien comparable à celle des cuprates.

En attendant d'en apprendre plus, une chose est acquise : le nickelate produit au SLAC s'est finalement révélé supraconducteur sur une plage de températures de 9 kelvins (-264,15 °C) à 15 kelvins (-258,15 °C). Des températures extrêmes, mais que les chercheurs espèrent bien pouvoir élever rapidement.

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Nous n’en sommes qu’au début de nos investigations [...] Il reste beaucoup à faire.

« Nous n'en sommes qu'au début de nos investigations. Nous venons de mener quelques expériences de base et il nous reste encore beaucoup à faire », indique Harold Hwang, professeur au SLAC. De futurs travaux permettront ainsi de déterminer si d'autres nickelates sont supraconducteurs et de comprendre comment leur dopage influence cette supraconductivité. D'autres études devront également se pencher sur la question de la structure magnétique du matériau et sur ses liens avec le phénomène afin d'en comprendre un peu mieux les mécanismes.

CE QU'IL FAUT RETENIR

• Les cuprates, des oxydes de cuivre, sont des matériaux présentant une supraconductivité non conventionnelle.
• À leur image, les nickelates, des oxydes de nickel, étaient supposés supraconducteurs.
• Et des chercheurs en apportent aujourd’hui la preuve.
• Tout en jetant le trouble sur les théories imaginant les propriétés magnétiques de ces matériaux à l’origine de leur supraconductivité.

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