Bulk superconductivity in quintuple-layer square-planar nickelate La6Ni5O12
Cet article rapporte la découverte d'une supraconductivité de volume à pression ambiante dans le nickelate à plan carré à couches quintuples La6Ni5O12, synthétisé par réduction topotactique, qui présente une température de transition initiale d'environ 18 K et une fraction de volume supraconductrice de ~25 %, établissant ainsi une plateforme cruciale pour l'étude du mécanisme de la supraconductivité à haute température dans les nickelates.
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Depuis des décennies, la famille de matériaux la plus célèbre capable de conduire l'électricité sans aucune résistance est celle des céramiques à base de cuivre, connues sous le nom de cuprates. Ces matériaux peuvent transporter le courant avec une efficacité parfaite à des températures bien plus chaudes que le zéro absolu, une propriété qui fascine les scientifiques depuis les années 1980. Cependant, comprendre exactement comment ils fonctionnent a été difficile car les versions les plus utiles de ces matériaux n'existent que sous forme de couches minces ou nécessitent des pressions écrasantes pour fonctionner. Cette limitation a forcé les chercheurs à s'appuyer sur des méthodes indirectes pour les étudier, un peu comme si l'on essayait de comprendre l'intérieur d'une maison en regardant seulement le toit. Pour résoudre cette énigme, les scientifiques ont cherché une nouvelle famille de matériaux qui se comporte comme les composés de cuivre mais qui est plus facile à étudier. Ils ont tourné leur attention vers les oxydes à base de nickel, qui partagent une structure chimique et un environnement électronique similaires aux matériaux de cuivre. Bien que les supraconducteurs à base de nickel aient été découverts récemment, ils étaient eux aussi piégés dans le même écueil : ils ne fonctionnaient que dans de fines couches ou sous une pression extrême, laissant le reste du matériau dans un état non supraconducteur.
Une équipe de chercheurs a maintenant brisé cette barrière en créant un bloc de matériau à base de nickel qui conduit l'électricité sans résistance à la pression atmosphérique normale. Les scientifiques sont partis d'un composé de nickel spécifique, une structure cristalline à cinq couches qui se forme naturellement sous une chaleur et une pression élevées. Ce matériau de départ était un conducteur métallique, mais il n'était pas encore un supraconducteur. Pour le transformer, les chercheurs ont réalisé une délicate chirurgie chimique. Ils ont placé les cristaux dans un environnement scellé avec un agent chimique agissant comme une éponge, absorbant des atomes d'oxygène spécifiques de la surface et de l'intérieur du cristal. Ce processus, appelé réaction topotactique, a retiré juste assez d'oxygène pour modifier l'arrangement des atomes à l'intérieur du matériau sans briser le cristal. Le résultat fut une nouvelle version du matériau où les atomes de nickel se situent dans des plans plats et quasi carrés, une structure que les modèles théoriques prédisaient depuis longtemps comme étant idéale pour la supraconductivité.
Lorsque les chercheurs ont testé ce nouveau matériau, ils ont constaté qu'il commençait à conduire l'électricité avec une résistance nulle à une température d'environ 18 Kelvin, ce qui correspond à environ 255 degrés en dessous de zéro sur l'échelle Celsius. Il ne s'agissait pas seulement d'un effet de surface ; le matériau se comportait comme un véritable supraconducteur dans tout son volume. Pour confirmer cela, l'équipe a mesuré la façon dont le matériau réagissait aux champs magnétiques. Ils ont observé que le matériau repoussait activement les champs magnétiques, une caractéristique de la supraconductivité, et qu'il pouvait piéger les lignes de force magnétique au sein de sa structure, signe qu'il transportait des courants électriques sans perdre d'énergie. Ils ont également mesuré la capacité thermique du matériau, qui a montré un saut distinct à la même température où l'électricité a cessé de rencontrer une résistance. Ce saut est une signature thermodynamique définitive indiquant qu'une grande partie du matériau était entrée dans un état supraconducteur.
L'étude a révélé que le succès de cette transformation dépendait entièrement de la précision. Si le traitement chimique était trop faible, le matériau restait un métal normal présentant des propriétés magnétiques inhabituelles. Si le traitement était trop fort, le matériau devenait un isolant qui bloquait l'électricité. C'est seulement dans une fenêtre très étroite d'ajustement chimique que l'état supraconducteur est apparu. Les chercheurs ont estimé qu'environ un quart du matériau de leur échantillon était supraconducteur, le reste demeurant dans un état normal, probablement en raison de microfissures ou de légères variations de la composition chimique. Malgré cela, la découverte est significative car elle constitue le premier échantillon massif d'un supraconducteur à base de nickel fonctionnant à pression normale. Cela ouvre la voie aux scientifiques pour utiliser des outils puissants comme la diffusion neutronique et l'imagerie avancée afin de regarder directement à l'intérieur du matériau, révélant potentiellement les secrets de la supraconductivité à haute température qui sont restés cachés pendant des années.
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