High-temperature superconductivity in Nd$_{0.85}$Sr$_{0.15}$NiO$_2$ membranes under pressure

En intégrant des membranes libres de nickelate infini-layer Nd$_{0.85}$Sr$_{0.15}$NiO$_2$ dans une cellule à enclumes de diamant, les auteurs démontrent que la température critique de supraconductivité augmente de manière linéaire et sans signe de saturation jusqu'à 90 GPa, atteignant des températures proches de l'azote liquide.

L'essentiel

🌟 L'histoire : Comment on a fait "sauter" la température de la supraconductivité

Imaginez que vous avez un matériau spécial, un peu comme un tapis volant qui peut transporter l'électricité sans aucune perte (c'est ce qu'on appelle la supraconductivité). Le problème, c'est que pour que ce tapis fonctionne, il doit être très froid, comme un bloc de glace dans un congélateur (environ -250°C).

Les scientifiques voulaient savoir : "Si on appuie très fort sur ce tapis, peut-on le faire fonctionner à une température plus douce, comme celle d'un verre de lait froid ou même d'un jour d'été ?"

Voici comment ils ont fait, étape par étape :

1. Le problème du "tapis collé"

Jusqu'à présent, ces tapis supraconducteurs (faits de nickel et d'oxygène) étaient collés sur un support rigide, comme une feuille de papier collée sur du carton.

• Le souci : Si vous essayez d'écraser ce carton avec un poids énorme (la pression), le carton se brise ou se plie mal. Vous ne pouvez pas appliquer assez de force pour voir ce qui se passe vraiment. C'est comme essayer de presser une orange avec un doigt, mais l'orange est collée à une table en bois.

2. La solution : Le "tapis volant" libre

L'équipe de chercheurs a eu une idée géniale : détacher le tapis !
Ils ont créé une membrane ultra-fine (aussi fine que quelques cheveux) qui flotte librement, sans être collée à rien. Imaginez une feuille de papier très fine que vous avez détachée de son cahier.

• L'expérience : Ils ont pris cette feuille libre et l'ont placée entre deux diamants (les objets les plus durs au monde) dans une machine appelée "cellule à enclumes de diamant". C'est comme un étau de géant, mais fait de diamants, capable d'écraser les choses avec une force incroyable.

3. L'effet de l'écrasement (La pression)

Quand ils ont commencé à serrer les diamants, quelque chose de magique s'est produit.

• L'analogie du ressort : Imaginez que les atomes dans ce matériau sont comme des ressorts. Quand on les presse, ils se rapprochent. Plus ils sont serrés, plus ils vibrent d'une certaine manière qui permet à l'électricité de circuler sans résistance, même quand il fait plus chaud.
• Le résultat : Plus ils pressaient fort, plus la température à laquelle le matériau devenait supraconducteur augmentait.
  • Au début (sans pression) : Ça marche à -256°C.
  • À la fin (pression extrême, 90 GigaPascals, soit l'équivalent de la pression au centre de la Terre !) : Ça marche à -199°C (74 Kelvin).

C'est énorme ! Ils ont réussi à faire monter la température de fonctionnement de plus de 50 degrés, ce qui est un saut gigantesque dans ce domaine.

4. La surprise : Pas de limite ?

Habituellement, quand on presse trop fort, les matériaux se cassent ou s'arrêtent de fonctionner (comme un élastique qu'on étire trop).

• La découverte : Ici, plus ils pressaient, plus ça fonctionnait bien. La courbe de réussite montait tout droit, comme une ligne droite sans s'arrêter. C'est comme si le matériau disait : "Encore un peu de pression, je peux aller encore plus haut !".
• Cela suggère que ce matériau a un potentiel caché énorme. Si on trouvait un moyen de créer cette pression sans les diamants (ce qui est le défi de demain), on pourrait peut-être avoir des supraconducteurs qui fonctionnent à température ambiante, révolutionnant tout : trains à lévitation, réseaux électriques sans perte, et ordinateurs ultra-rapides.

En résumé

Les chercheurs ont pris un matériau fragile, l'ont détaché de son support pour le rendre libre, et l'ont écrasé entre deux diamants. Résultat : ils ont transformé un matériau qui ne fonctionnait qu'au fond d'un congélateur en un matériau qui fonctionne presque comme un réfrigérateur classique, et ce, sans jamais atteindre de "plafond" de performance.

C'est une preuve que la pression est la clé secrète pour débloquer le plein potentiel de ces matériaux du futur.

Résumé technique

Titre : Supraconductivité à haute température dans des membranes de Nd0.85Sr0.15NiO2 à couches infinies sous pression

1. Le Problème Scientifique

Depuis la découverte de la supraconductivité dans les nickelates à couches infinies (infinite-layer nickelates), une question fondamentale demeure : quelle est la limite intrinsèque de la température critique ($T_c$) de ces matériaux ?

• Contexte : Des études antérieures ont montré que la contraction du réseau cristallin (via la contrainte épitaxiale ou la pression chimique des ions terres rares) augmente la $T_c$, passant d'environ 15 K à 40 K.
• Limitation actuelle : Les tentatives pour aller au-delà se heurtent à deux obstacles majeurs :
  1. La stabilité limitée des films minces sous contrainte épitaxiale.
  2. La difficulté technique de mesurer des films minces dans des environnements de très haute pression, car les films liés à leur substrat se dégradent rapidement (souvent en dessous de 12 GPa) ou ne peuvent pas supporter les pressions extrêmes nécessaires pour tester les limites théoriques.
• Hypothèse : Il est inconnu si l'augmentation de la $T_c$ par contraction du réseau se poursuit linéairement ou si elle sature, comme c'est souvent le cas dans les cuprates ou d'autres nickelates (ex: La3Ni2O7) où une surdopage induit par la pression finit par supprimer la supraconductivité.

2. Méthodologie

Pour surmonter les limitations des films minces liés à un substrat, les auteurs ont développé une approche innovante combinant la science des matériaux 2D et la physique de la haute pression :

• Échantillons : Synthèse de films minces optimisés de Nd0.85Sr0.15NiO2 (environ 6,7 nm d'épaisseur) par dépôt laser pulsé, suivie d'une réduction topotactique.
• Technique de libération : Les films sont encapsulés par des couches de SrTiO3 et déposés sur une couche sacrificielle soluble dans l'eau. La dissolution de cette couche permet de libérer une membrane libre (freestanding membrane) soutenue par un polymère, sans substrat rigide.
• Intégration en Cellule à Enclumes de Diamant (DAC) :
  • La membrane est transférée directement sur la culot d'un diamant (diamond culet).
  • Des contacts électriques Ohmiques (Ti/Au) sont fabriqués directement sur la membrane via lithographie par masque en nitrure de silicium et évaporation.
  • L'ensemble est monté dans une DAC avec un joint métallique isolé par de la poudre de nitrure de bore cubique (cBN) et du silicone comme milieu transmetteur de pression.
• Mesures : Des mesures de résistance électrique en fonction de la température ($R(T)$) ont été effectuées sous pression croissante (jusqu'à ~91,5 GPa) et en présence de champs magnétiques (jusqu'à 13 T).

3. Résultats Clés

• Augmentation massive de la $T_c$ : La température critique augmente de manière monotone et continue avec la pression.
  • À pression ambiante : $T_c \approx 17$ K.
  • À la pression maximale (91,5 GPa) : La $T_c$ (définie par l'origine de la transition) atteint **74,2 K**.
• Comportement Linéaire sans Saturation : Contrairement aux attentes basées sur les cuprates ou les nickelates bilayers, la $T_c$ suit une augmentation linéaire simple avec une pente de 0,65 K/GPa. Aucune saturation ni baisse de la $T_c$ n'a été observée, même à des pressions extrêmes.
• Robustesse de l'état supraconducteur :
  • La transition supraconductrice reste robuste jusqu'à la limite mécanique des enclumes de diamant (fracture du diamant), et non à cause d'une dégradation intrinsèque de l'échantillon.
  • Les mesures de champ critique supérieur ($H_{c2}$) montrent une réduction de la longueur de cohérence ($\xi_{ab}$) de ~2,39 nm à ~1,54 nm, indiquant un renforcement de l'état supraconducteur.
  • À 71,8 GPa, une transition supraconductrice est observée près de la température de l'azote liquide (~64 K).

4. Contributions Majeures

• Développement technique : Création d'une plateforme expérimentale permettant l'intégration de membranes supraconductrices libres dans une cellule à enclumes de diamant, éliminant le problème de la dégradation des films liés à un substrat sous haute pression.
• Découverte empirique : Établissement d'une relation linéaire directe entre la pression et la $T_c$ dans les nickelates à couches infinies, dépassant de plus de quatre fois l'augmentation initiale ($17 \to 74$ K).
• Comparaison théorique : La démonstration que, contrairement aux cuprates où la pression induit un surdopage nuisible, les nickelates à couches infinies semblent résister à cet effet de surdopage, permettant une augmentation continue de la force d'appariement.

5. Signification et Implications

• Limites de la supraconductivité : Ces résultats suggèrent que la force d'appariement dans les nickelates à couches infinies peut être augmentée à une échelle étonnamment élevée, bien au-delà des prédictions théoriques actuelles qui anticipaient un pic vers 50 K suivi d'une baisse.
• Nouvelle voie pour les matériaux 2D : La méthode développée (membranes libres dans une DAC) ouvre la voie à l'étude sous haute pression d'une large gamme de matériaux bidimensionnels, au-delà des nickelates.
• Perspectives : L'absence de saturation à 90 GPa indique qu'il pourrait être possible d'atteindre des températures critiques encore plus élevées (potentiellement au-dessus de 100 K) si des pressions plus extrêmes pouvaient être appliquées sans fracturer les enclumes de diamant. Cela remet en question les modèles actuels de surdopage induit par la pression dans ces systèmes.