Nouvelle avancée dans la compréhension des supraconducteurs à oxyde de nickel

Une illustration montre un type de matière quantique appelée ondes de densité de charge, ou CDW, superposées à la structure atomique d’un supraconducteur d’oxyde de nickel. (En bas) Le matériau d’oxyde de nickel, avec des atomes de nickel en orange et des atomes d’oxygène en rouge. (En haut à gauche) Les CDW apparaissent comme un motif d’ondulations d’électrons gelés, avec une densité d’électrons plus élevée dans les pics des ondulations et une densité d’électrons plus faible dans les creux. (En haut à droite) Cette région montre un autre état quantique, la supraconductivité, qui peut également survenir dans l’oxyde de nickel. La présence de CDW montre que les oxydes de nickel sont capables de former des états corrélés – des “soupes d’électrons” pouvant contenir plusieurs phases quantiques, dont la supraconductivité. Crédit : Greg Stewart/Laboratoire national des accélérateurs SLAC

Une nouvelle étude montre que les supraconducteurs à base d’oxyde de nickel, qui conduisent l’électricité sans perte à des températures plus élevées que les supraconducteurs conventionnels, contiennent un type de matière quantique appelée ondes de densité de charge ou CDW, qui peut guider la supraconductivité.

La présence de CDW montre que ces matériaux récemment découverts, également connus sous le nom de nickelates, sont capables de former des états corrélés – des “soupes d’électrons” pouvant contenir plusieurs phases quantiques, y compris la supraconductivité, des chercheurs du Laboratoire national des accélérateurs SLAC du Département de l’énergie et de l’Université de Stanford rapporté dans Physique de la nature Aujourd’hui.

“Contrairement à tout autre supraconducteur que nous connaissons, les CDW apparaissent avant même que nous ne dopions le matériau en remplaçant certains atomes par d’autres pour modifier le nombre d’électrons qui peuvent se déplacer librement”, a déclaré Wei-Sheng Lee, scientifique principal et chercheur au SLAC. avec le Stanford Institute for Materials and Energy Science (SIMES) menant l’étude.

“Cela fait des nickelates un nouveau système très intéressant – un nouveau terrain de jeu pour étudier les supraconducteurs non conventionnels.”

Nickelates et cuprates

Au cours des 35 années qui se sont écoulées depuis la découverte des premiers supraconducteurs « haute température » non conventionnels, les chercheurs se sont efforcés d’en trouver un capable de transporter l’électricité sans perte à une température proche de la température ambiante. Ce serait un développement révolutionnaire, permettant des choses comme des lignes électriques parfaitement efficaces, des trains maglev et une foule d’autres technologies futuristes et économes en énergie.

Mais alors qu’un effort de recherche mondial vigoureux a identifié de nombreux aspects de leur nature et de leur comportement, les humains ne savent toujours pas exactement comment ces matériaux deviennent supraconducteurs.

Ainsi, la découverte des forces supraconductrices du nickelate par les chercheurs du SIMES il y a trois ans était passionnante car elle a donné aux scientifiques une nouvelle perspective sur le problème.

Depuis lors, les chercheurs du SIMES étudient la structure électronique des nickelates – essentiellement le comportement de leurs électrons – et leur comportement magnétique. Ces études ont révélé d’importantes similitudes et des différences subtiles entre les nickelates et les oxydes ou cuprates de cuivre – les premiers supraconducteurs à haute température jamais découverts et toujours les détenteurs du record mondial de fonctionnement à haute température à la pression quotidienne.

Parce que le nickel et le cuivre sont juste à côté dans le tableau périodique des éléments, les scientifiques n’ont pas été surpris d’y voir une relation, et ont même soupçonné que les nickelates pourraient être de bons supraconducteurs. Mais il s’est avéré extrêmement difficile de construire des matériaux avec juste les bonnes propriétés.

“C’est encore très nouveau”, a déclaré Lee. “Les gens ont encore du mal à synthétiser des films minces de ces matériaux et à comprendre comment différentes conditions peuvent influencer les mécanismes microscopiques sous-jacents liés à la supraconductivité.”

Nouvelle avancée dans la compréhension des supraconducteurs à oxyde de nickel

Ce graphique montre ce qui se passe dans un matériau d’oxyde de nickel lorsque les scientifiques ajustent la température et le niveau de dopage – en remplaçant certains atomes par d’autres pour modifier le nombre d’électrons qui peuvent se déplacer. Lorsque les conditions sont idéales, les électrons du matériau perdent leur identité individuelle et forment une soupe d’électrons, et des états quantiques tels que la supraconductivité (bleu) et les ondes de densité de charge (CDW, en rouge) émergent. Crédit : Adapté de M. Rossi et al

Ondulations d’électrons gelés

Les CDW ne sont que l’un des états étranges de la matière en compétition pour la proéminence dans les matériaux supraconducteurs. Vous pouvez les considérer comme un motif d’ondulations d’électrons gelés au-dessus de la structure atomique du matériau, avec une densité d’électrons plus élevée dans les pics des ondulations et une densité d’électrons plus faible dans les creux.

Au fur et à mesure que les chercheurs ajustent la température et le niveau de dopage du matériau, différents états apparaissent et s’estompent. Lorsque les conditions sont idéales, les électrons du matériau perdent leur identité individuelle et forment une soupe d’électrons, et des états quantiques tels que la supraconductivité et les CDW peuvent émerger.

Une étude précédente du groupe SIMES n’a trouvé aucun CDW dans les nickelates contenant le néodyme, un élément de terres rares. Mais dans cette dernière étude, l’équipe SIMES a créé et exploré un autre matériau de nickelate dans lequel le néodyme a été remplacé par un autre élément de terre rare, le lanthane.

“L’émergence des CDW peut être très sensible à des choses comme la tension ou le désordre dans leur environnement, qui peuvent être réglés en utilisant différents éléments de terres rares”, explique Matteo Rossi, qui a dirigé les expériences en tant que chercheur postdoctoral au SLAC.

L’équipe a mené des expériences sur trois sources lumineuses à rayons X : la Diamond Light Source au Royaume-Uni, la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource au SLAC et la Advanced Light Source au Lawrence Berkeley National Laboratory du DOE. Chacune de ces installations a fourni des outils spécialisés pour rechercher et comprendre le matériau à un niveau fondamental. Toutes les expériences ont dû être menées à distance en raison des contraintes pandémiques.

“Essentiellement autodopé”

Les expériences ont montré que ce nickelate pouvait contenir à la fois des CDW et des états supraconducteurs de la matière – et que ces états étaient déjà présents avant que le matériau ne soit dopé. C’était surprenant, car le dopage est généralement un élément essentiel de la fabrication de matériaux supraconducteurs.

Lee a déclaré que le fait que ce nickelate soit essentiellement autodopant le rend significativement différent des cuprates.

“Cela fait du nickel un nouveau système très intéressant pour étudier comment ces phases quantiques se font concurrence ou sont entrelacées”, a-t-il déclaré. “Et cela signifie que de nombreux outils utilisés pour étudier d’autres supraconducteurs non conventionnels pourraient également être pertinents pour celui-ci.”


La première étude du magnétisme du nickelate révèle une forte relation avec les supraconducteurs cuprates


Plus d’information:
Wei-Sheng Lee, Un état fracturé de symétrie translationnelle dans un nickelate infinitésimal, Physique de la nature (2022). DOI : 10.1038/s41567-022-01660-6. www.nature.com/articles/s41567-022-01660-6

Fourni par SLAC National Accelerator Laboratory

Devis: New Leap in Understanding Nickel Oxide Superconductors (2022, 25 juillet) Extrait le 26 juillet 2022 de https://phys.org/news/2022-07-nickel-oxide-superconductors.html

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