Les nickelates sont un nouveau matériau prometteur pour les futures technologies de supraconductivité. Les scientifiques de la TU Wien (Vienne) ont maintenant réussi à expliquer leur structure électronique.
Même après plus de 30 ans de recherche, la supraconductivité à haute température est toujours l’un des grands mystères non résolus de la physique des matériaux. Le mécanisme exact qui fait que certains matériaux conduisent encore le courant électrique sans aucune résistance, même à des températures relativement élevées, n’est toujours pas entièrement compris.
Il y a deux ans, une nouvelle classe de supraconducteurs prometteurs a été découverte : les nickelates en couches. Pour la première fois, une équipe de recherche de TU Vienne a maintenant réussi à déterminer des paramètres importants de ces nouveaux supraconducteurs en comparant la théorie et l’expérience. Cela signifie que pour la première fois un modèle théorique est maintenant disponible qui peut être utilisé pour comprendre les mécanismes électroniques de la supraconductivité à haute température dans ces matériaux.
Jan Kuneš. À droite : atomes de nickel et d’oxygène, et des électrons en mouvement entre les deux. Crédit : TU Vienne
À la recherche de supraconducteurs à haute température
De nombreux supraconducteurs sont connus aujourd’hui, mais la plupart d’entre eux ne sont supraconducteurs qu’à des températures extrêmement basses, proches de zéro absolu. Les matériaux qui restent supraconducteurs à des températures plus élevées sont appelés « supraconducteurs à haute température » – même si ces températures « élevées » (souvent de l’ordre de grandeur de moins de -200°C) sont encore extrêmement froides selon les normes humaines.
Trouver un matériau qui reste supraconducteur à des températures nettement plus élevées serait une découverte révolutionnaire qui ouvrirait la porte à de nombreuses nouvelles technologies. Pendant longtemps, les cuprates ont été considérés comme des candidats particulièrement intéressants – une classe de matériaux contenant des atomes de cuivre. Maintenant, cependant, une autre classe de matériaux pourrait s’avérer encore plus prometteuse : les nickelates, qui ont une structure similaire aux cuprates, mais avec du nickel au lieu du cuivre.
« Il y a eu beaucoup de recherches sur les cuprates, et il a été possible d’augmenter considérablement la température critique jusqu’à laquelle le matériau reste supraconducteur. Si des progrès similaires pouvaient être réalisés avec les nickelates nouvellement découverts, ce serait un énorme pas en avant », déclare le professeur Jan Kuneš de l’Institut de physique des solides à TU Vienne.
Paramètres difficiles d’accès
Des modèles théoriques décrivant le comportement de tels supraconducteurs existent déjà. Le problème, cependant, est que pour utiliser ces modèles, il faut connaître certains paramètres matériels difficiles à déterminer. « L’énergie de transfert de charge joue un rôle clé », explique Jan Kuneš. « Cette valeur nous indique la quantité d’énergie que vous devez ajouter au système pour transférer un électron d’un nickel atome à un atome d’oxygène.
Malheureusement, cette valeur ne peut pas être mesurée directement, et les calculs théoriques sont extrêmement compliqués et imprécis. Par conséquent, Atsushi Hariki, membre du groupe de recherche de Jan Kuneš, a développé une méthode pour déterminer indirectement ce paramètre : lorsque le matériau est examiné aux rayons X, les résultats dépendent également de l’énergie de transfert de charge. « Nous avons calculé les détails du spectre des rayons X qui sont particulièrement sensibles à ce paramètre et comparé nos résultats avec les mesures de différentes méthodes de spectroscopie des rayons X », explique Jan Kuneš. “De cette façon, nous pouvons déterminer la valeur appropriée – et cette valeur peut maintenant être insérée dans les modèles informatiques utilisés pour décrire la supraconductivité du matériau.”
Prérequis important pour la recherche de meilleurs nickelates
Ainsi, pour la première fois, il est désormais possible d’expliquer précisément la structure électronique du matériau et de mettre en place un modèle théorique paramétré pour décrire la supraconductivité dans les nickelates. “Avec cela, nous pouvons maintenant aller au fond de la question de savoir comment la mécanique de l’effet peut être expliquée au niveau électronique”, explique Jan Kuneš. « Quelles orbitales jouent un rôle décisif ? Quels paramètres importent en détail ? C’est ce que vous devez savoir si vous voulez découvrir comment améliorer encore ce matériau, afin de pouvoir un jour produire de nouveaux nickelates dont la supraconductivité persiste jusqu’à des températures encore nettement plus élevées.
Référence : « Core-Level X-Ray Spectroscopy of Infinite-Layer Nickelate : LDA+DMFT Study » par Keisuke Higashi, Mathias Winder, Jan Kuneš et Atsushi Hariki, 13 octobre 2021, Examen physique X.
DOI : 10.1103 / PhysRevX.11.041009
