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Enhanced and robust superconductivity in La0.8Sr0.2NiO2 membranes compressed up to 210 GPa

Cette étude démontre que la supraconductivité dans les membranes de La0,8Sr0,2NiO2 autoportantes reste robuste sous des pressions ultra-hautes allant jusqu'à 210 GPa, présentant une évolution de la température de transition en forme de dôme qui culmine à 74,5 K, un phénomène sans précédent parmi les supraconducteurs à haute Tc d'oxydes.

Auteurs originaux : Liling Sun, Shu Cai, Yuqing Tian, Shengjun Yan, Jinyu Zhao, Bo Hao, Jianfeng Zhang, Shuaihang Sun, Yang Ding, Qi Wu, Ho-Kwang Mao, Ivan Božović, Yuefeng Nie

Publié 2026-08-06

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Liling Sun, Shu Cai, Yuqing Tian, Shengjun Yan, Jinyu Zhao, Bo Hao, Jianfeng Zhang, Shuaihang Sun, Yang Ding, Qi Wu, Ho-Kwang Mao, Ivan Božović, Yuefeng Nie

Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

Imaginez un monde où l'électricité circule sans aucune résistance, comme un fantôme glissant à travers un mur sans jamais rien heurter. Cet état magique est appelé la supraconductivité, et c'est le Graal pour les scientifiques qui tentent de construire des ordinateurs plus rapides, des aimants puissants et des réseaux énergétiques qui ne gaspillent pas d'énergie. Pendant des décennies, les champions de ce monde ont été des matériaux composés de cuivre et d'oxygène (appelés cuprates). Mais récemment, un nouveau prétendant est entré dans l'arène : une famille de matériaux composés de nickel au lieu du cuivre. Ces « nickelates » ressemblent et se comportent beaucoup comme leurs cousins de cuivre, offrant un nouvel indice pour résoudre le mystère du fonctionnement de la supraconductivité.

Cependant, il y a un hic. Pour tester réellement ces matériaux, les scientifiques doivent les comprimer avec une force incroyable, imitant la pression écrasante que l'on trouve au plus profond des planètes. Habituellement, ces matériaux sont collés à un support épais et rigide (un substrat) qui se brise ou fait obstacle lorsqu'on essaient de les comprimer aussi fort. C'est comme essayer de tester la résistance d'un élastique alors qu'il est encore fixé à un bloc de bois lourd. Pour contourner cela, des chercheurs ont récemment appris à décoller ces matériaux de leur support, créant de minuscules « membranes » autonomes qui peuvent être compressées librement. La grande question était : si l'on continue de comprimer ces membranes de nickel de plus en plus fort, vont-elles continuer à devenir de meilleures supraconductrices, ou finiront-elles par craquer et abandonner ?

Cet article raconte ce qui s'est passé lorsque des scientifiques ont pris une membrane autonome faite d'un matériau de nickel spécifique (La0,8Sr0,2NiO2) et l'ont compressée avec les machines à pression les plus puissantes disponibles. Ils ont poussé la pression jusqu'à un niveau stupéfiant de 210 GPa (cela représente 2,1 millions de fois la pression de l'atmosphère terrestre !). Les résultats ont été surprenants et robustes. Au lieu d'abandonner, la capacité du matériau à être supraconducteur s'est renforcée à mesure que la pression augmentait.

Voici ce qu'ils ont découvert :

L'ascension : À la pression atmosphérique normale, le matériau a commencé à être supraconducteur à environ 16 K (une température très froide de -257 °C). À mesure qu'ils le compressaient, cette température ne cessait de grimper. Lorsqu'ils ont atteint 146 GPa, le matériau était supraconducteur à une température de pointe de 74,5 K.
Le pic et la chute : Après avoir atteint ce sommet, la température a commencé à redescendre lentement alors qu'ils compressaient encore plus fort. Mais même à la pression extrême de 210 GPa, le matériau était toujours supraconducteur à une température très impressionnante de 57,4 K.
La comparaison : C'est un niveau de robustesse record. La plupart des autres supraconducteurs à haute température (comme les célèbres matériaux à base de cuivre) cessent de fonctionner ou perdent leur puissance supraconductrice une fois que la pression devient trop élevée (souvent autour de 20 à 40 GPa). Cette membrane de nickel, cependant, a tenu bon tout au long des 210 GPa.

Les chercheurs ont également vérifié que ce n'était pas simplement un artefact de la mesure. Ils ont confirmé que le « début » de la supraconductivité ne devenait pas seulement flou ou plus large ; la température réelle où la magie opérait augmentait véritablement. Ils ont comparé leurs résultats à un matériau de nickel similaire composé d'un élément différent (néodyme), et bien que celui-ci ait atteint son pic plus tôt et ait cessé de progresser, les deux matériaux ont montré que les couches de nickel sont les véritables héros de la démonstration, et non les autres atomes qui les entourent.

En bref, cette étude montre que la supraconductivité dans ces membranes de nickel est incroyablement résistante. Elle ne se contente pas de survivre à une pression extrême ; elle s'épanouit sous celle-ci, atteignant des températures plus élevées que jamais observées pour ce type de matériau. Cela suggère que le secret pour faire mieux fonctionner ces matériaux pourrait se trouver dans la manière dont nous les compressons, ouvrant une nouvelle frontière pour comprendre comment ces matériaux quantiques se comportent dans les conditions les plus extrêmes imaginables.

Résumé technique : Supraconductivité améliorée et robuste de membranes de La₀,₈Sr₀,₂NiO₂ compressées jusqu'à 210 GPa

Énoncé du problème
La découverte de la supraconductivité dans les films minces de nickelates à couches infinies a établi une nouvelle frontière pour l'étude des supraconducteurs d'oxydes non conventionnels, établissant des parallèles significatifs avec les systèmes de cuprates. Cependant, une limitation expérimentale critique a entravé l'exploration de ces matériaux sous conditions extrêmes : la présence de substrats épais (typiquement ~500 µm) empêche les mesures dans les cellules à enclumes de diamant (DAC), où la hauteur des trous d'échantillon est généralement limitée à moins de 50 µm. Bien que des études récentes sur des membranes de Nd₀,₈₅Sr₀,₁₅NiO₂ autoportantes aient réussi à contourner ce problème, révélant une augmentation linéaire de la température de transition supraconductrice ( $T_{c,onset}$ ) jusqu'à 91,5 GPa sans saturation, des questions fondamentales subsistaient quant au comportement des nickelates à des pressions encore plus élevées. Plus précisément, on ignorait si la supraconductivité pouvait persister au-delà de 100 GPa, si la $T_{c,onset}$ continuerait de croître, et comment la réponse en pression des nickelates à couches infinies autoportants se compare à d'autres supraconducteurs d'oxydes à haute $T_c$ , qui présentent typiquement une supraconductivité supprimée sous haute pression.

Méthodologie
Pour répondre à ces questions, les auteurs ont synthétisé des membranes monocristallines autoportantes de La₀,₈Sr₀,₂NiO₂ par un processus de réduction topotactique sur des substrats tamponnés au SrTiO₃. La synthèse a impliqué la croissance de films de pérovskite La₀,₈Sr₀,₂NiO₃ avec une couche sacrificielle de Sr₄Al₂O₇ soluble dans l'eau, suivie d'une réduction avec du CaH₂ pour former la phase à couches infinies. Les membranes ont été libérées chimiquement par gravure de la couche sacrificielle et transférées sur des enclumes de diamant à l'aide d'un support polymère flexible et d'un manipulateur de haute précision.

Des mesures de résistance électrique sous haute pression ont été effectuées sur trois échantillons de membranes distincts (S#1, S#2, S#3) à l'intérieur de cellules à enclumes de diamant équipées de cuvettes allant de 50 µm à 110 µm. La pression a été appliquée jusqu'à un maximum de 210 GPa. L'étude a utilisé des mesures de résistance à quatre pointes avec des électrodes d'or dessinées directement sur la surface de la membrane. Pour distinguer l'amélioration réelle de la supraconductivité de l'élargissement de la transition, les auteurs ont analysé la résistance en fonction de la température ( $R(T)$ ) en utilisant deux critères pour la $T_{c,onset}$ : la chute de résistance de 0,5 % ( $T_{c,99,5\% R}$ ) et la méthode d'intersection de deux droites ( $T_{c,2 \text{ lignes}}$ ). De plus, la dérivée de la résistance ($dR/dT$) a été utilisée pour déterminer la température de transition médiane ( $T_{cm}$ ). Des balayages de champ magnétique jusqu'à 7 T ont été réalisés sur l'échantillon compressé à 80 GPa pour caractériser la suppression de la supraconductivité et déterminer le champ critique supérieur ( $H_{c2}$ ).

Résultats clés
L'étude démontre que la supraconductivité dans les membranes autoportantes de La₀,₈Sr₀,₂NiO₂ persiste sous des pressions ultra-hautes jusqu'à 210 GPa, un régime auparavant inexploré pour cette classe de matériaux. L'évolution de la température de début de transition supraconductrice ( $T_{c,onset}$ ) avec la pression présente un comportement distinct en forme de « dôme » :

Plage de pression 0–146 GPa : La $T_{c,onset}$ augmente continuellement d'environ 16 K à la pression ambiante jusqu'à un pic de 74,5 K à 146 GPa. L'augmentation initiale (en dessous de 60 GPa) est presque linéaire avec une pente de 0,62 K/GPa.
Plage de pression 146–210 GPa : Au-delà du pic, la $T_{c,onset}$ diminue graduellement mais reste remarquablement robuste. À 210 GPa, le début de la transition est toujours observé à 57,4 K.
Vérification : L'analyse des courbes $dR/dT$ a confirmé que l'augmentation de la $T_{c,onset}$ reflète une véritable amélioration de la supraconductivité, car la température médiane ( $T_{cm}$ ) a également augmenté de manière significative (passant de 13 K à 15 GPa à 57 K à 147 GPa). Les mesures de champ magnétique à 80 GPa ont confirmé la suppression systématique de la supraconductivité, cohérente avec un véritable état supraconducteur.

L'analyse comparative avec les membranes autoportantes de Nd₀,₈₅Sr₀,₁₅NiO₂ révèle que, bien que les deux matériaux présentent une amélioration linéaire de la $T_c$ en dessous de 60 GPa, leurs comportements divergent à des pressions plus élevées. Le Nd₀,₈₅Sr₀,₁₅NiO₂ a atteint un pic d'environ 74 K à 91,5 GPa, tandis que le La₀,₈Sr₀,₂NiO₂ a atteint un pic similaire (~74,5 K) à une pression beaucoup plus élevée (146 GPa) et a maintenu la supraconductivité jusqu'à 210 GPa. En revanche, d'autres systèmes d'oxydes à haute $T_c$ , incluant les cuprates (Bi-2212, PLCCO) et d'autres nickelates (phase RP La₃Ni₂O₇), montrent typiquement une suppression monotone de la supraconductivité ou une disparition à des pressions bien inférieures à 100 GPa.

Signification et affirmations
Les auteurs affirment que ce travail démontre une robustesse sans précédent de la supraconductivité contre la pression ultra-haute dans un système supraconducteur d'oxyde. La persistance de la supraconductivité jusqu'à 210 GPa (2 Mbar) défie la fragilité typique observée dans les supraconducteurs céramiques à haute $T_c$ . Les résultats suggèrent que la force d'appariement supraconducteur dans les nickelates à couches infinies reste robuste à travers cette plage de pression extrême, étant probablement régie par les plans NiO₂ plutôt que par les moments magnétiques des orbitales f, compte tenu de la similitude de la $T_c$ de pic entre les variantes à base de La et de Nd malgré leurs différentes constantes de réseau.

L'étude établit que la réponse en pression des nickelates à couches infinies autoportants est distincte des autres familles d'oxydes à haute $T_c$ , qui présentent généralement une supraconductivité supprimée sous des conditions similaires. En étendant la fenêtre de pression à 210 GPa, la recherche fournit des données critiques sur les limites de la supraconductivité dans les nickelates, indiquant que l'amélioration de l'énergie cinétique et du recouvrement orbital (Ni 3d et O 2p) ne détruit pas immédiatement l'état supraconducteur, même lorsque la répulsion coulombienne effective est réduite. Ce travail souligne le potentiel des techniques de membranes autoportantes pour débloquer de nouveaux phénomènes quantiques dans les oxydes complexes sous des conditions extrêmes.

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