Bulk Superconductivity in Rocksalt LaN
Cet article rapporte la synthèse de LaN massif à structure de type sel gemme par un procédé de zone fondue par laser sous haute pression, l'établissant comme le premier mononitrure de terre rare supraconducteur avec une température de transition de 5,95 K.
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Dans le monde de la science des matériaux, les scientifiques recherchent souvent des substances capables de conduire l'électricité sans aucune résistance. Lorsque cela se produit, le matériau devient un supraconducteur, un état qui permet un transfert d'énergie incroyablement efficace et des champs magnétiques puissants. Pendant des décennies, des chercheurs ont étudié une famille de composés constitués de métaux de terres rares combinés à de l'azote. Ces matériaux forment généralement une structure cristalline spécifique et étroitement compactée, mais ils sont connus pour leurs comportements étranges et variés, allant d'états magnétiques inhabituels à un comportement de semi-conducteurs. Un membre de cette famille, le nitrure de lanthane, a fait l'objet de longs débats. Si certaines expériences précoces laissaient entrevoir une infime et partielle capacité de supraconductivité, d'autres suggéraient qu'il s'agissait simplement d'un métal ou d'un semi-conducteur. La difficulté d'étude réside dans sa sensibilité extrême à l'air et à l'humidité, qui peuvent détruire l'échantillon avant même qu'il ne soit mesuré, ainsi que dans le fait que sa structure atomique ressemble beaucoup à celle du métal lanthane pur, ce qui les rend difficiles à distinguer avec des outils standards.
Une équipe de chercheurs a désormais tranché ce débat en créant un échantillon massif et pur de nitrure de lanthane et en prouvant qu'il est bel et bien un supraconducteur. Pour y parvenir, ils ont évité les méthodes traditionnelles qui laissent souvent le matériau impur ou endommagé. Au lieu de cela, ils ont utilisé un four spécialisé qui fait fondre le matériau à l'aide de lasers de haute puissance alors qu'il est entouré de gaz azoté sous une pression trois mille fois supérieure à celle de l'air que nous respirons. Cet environnement à haute pression a permis de faire réagir le métal avec le gaz, puis de fondre le composé résultant en un liquide uniforme, qui a ensuite été refroidi pour former un solide. Ce processus leur a permis d'obtenir un échantillon chimiquement cohérent et exempt de la contamination qui avait entravé les tentatives précédentes.
Lorsque l'équipe a examiné ce nouveau matériau, elle a découvert qu'il possédait une composition chimique spécifique, contenant légèrement moins d'azote qu'un ratio parfait ne le suggérerait. Cette légère déficience était en fait cruciale. Des simulations informatiques avaient précédemment prédit qu'une version parfaitement équilibrée de ce cristal serait instable et risquerait de s'effondrer ou de changer de forme. Le léger manque d'atomes d'azote, cependant, a agi comme un stabilisateur, permettant au cristal de maintenir sa forme et de rester stable. Une fois qu'ils ont confirmé que la structure était solide et pure, ils ont commencé à tester ses propriétés physiques. Ils ont mesuré comment l'électricité circulait à travers le matériau en le refroidissant, observant qu'il se comportait comme un métal à des températures plus élevées, mais qu'il perdait soudainement toute résistance électrique lorsque la température chutait juste en dessous de six degrés au-dessus du zéro absolu.
D'autres tests ont confirmé qu'il ne s'agissait pas seulement d'un effet de surface ou d'une minuscule zone isolée de supraconductivité. En mesurant la capacité du matériau à repousser les champs magnétiques et sa capacité thermique, les chercheurs ont déterminé que l'intégralité de l'échantillon avait effectué une transition vers un état supraconducteur. Ils ont également découvert que ce matériau pouvait supporter un champ magnétique plus de dix fois plus fort que ce que le métal lanthane pur peut supporter avant de perdre sa capacité de supraconductivité. Cette distinction est vitale car elle prouve que la supraconductivité provient du composé de nitrure lui-même, et non d'un reste de métal. Les découvertes suggèrent que l'arrangement spécifique des atomes dans ce cristal, particulièrement la façon dont les atomes de lanthane sont espacés, joue un rôle clé dans l'activation de cet état. Bien que le mécanisme exact soit encore en cours d'exploration, la découverte établit le nitrure de lanthane comme le premier supraconducteur confirmé de sa famille de composés de terres rares, ouvrant la voie aux scientifiques pour explorer des matériaux similaires et potentiellement découvrir de nouvelles manières de manipuler l'électricité et le magnétisme.
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