Une nouvelle ère de recherche sur la supraconductivité

Par Université de technologie de Vienne25 avril 2023

Des chercheurs de TU Wien et d'universités japonaises ont utilisé des simulations informatiques pour identifier la "zone dorée" pour une supraconductivité optimale. Cette zone, où l'interaction entre les électrons est forte mais pas trop forte, est atteinte avec une nouvelle classe de matériaux appelés palladates, qui pourrait conduire à une nouvelle ère de recherche sur la supraconductivité.

TU Wien a effectué des calculs qui suggèrent l'utilisation du palladium, un métal précieux, comme matériau "Goldilocks" pour créer des supraconducteurs qui restent supraconducteurs même à des températures relativement élevées.

Dans le domaine de la physique moderne, une poursuite exaltante est en cours : identifier la méthode optimale pour créer des supraconducteurs qui maintiennent leur supraconductivité à haute température et pression ambiante. Cette quête a été revigorée ces derniers temps par l'émergence des nickelates, inaugurant une nouvelle ère de la supraconductivité.

La base de ces supraconducteurs réside dans le nickel, ce qui a incité de nombreux scientifiques à qualifier cette période de recherche sur la supraconductivité d'"âge du nickel". Sous de nombreux aspects, les nickelates sont similaires aux cuprates, découverts dans les années 1980 et à base de cuivre.

Mais maintenant, une nouvelle classe de matériaux entre en jeu : dans le cadre d'une coopération entre TU Wien et des universités japonaises, il a été possible de simuler le comportement de divers matériaux plus précisément qu'auparavant sur l'ordinateur.

There is a "Goldilocks zone" in which superconductivity works particularly well. And this zone is reached neither with nickel nor with copper, but with palladium. This could usher in a new "age of palladates" in superconductivity research. The results have now been published in the scientific journal Physical Review LettersPhysical Review Letters (PRL) is a peer-reviewed scientific journal published by the American Physical Society. It is one of the most prestigious and influential journals in physics, with a high impact factor and a reputation for publishing groundbreaking research in all areas of physics, from particle physics to condensed matter physics and beyond. PRL is known for its rigorous standards and short article format, with a maximum length of four pages, making it an important venue for rapid communication of new findings and ideas in the physics community." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Lettres d'examen physique.

À haute température, les supraconducteurs se comportent de manière très similaire aux autres matériaux conducteurs. Mais lorsqu'ils sont refroidis en dessous d'une certaine "température critique", ils changent radicalement : leur résistance électrique disparaît complètement et du coup ils peuvent conduire l'électricité sans aucune perte. Cette limite, à laquelle un matériau passe d'un état supraconducteur à un état normalement conducteur, est appelée "température critique".

"We have now been able to calculate this "critical temperature" for a whole range of materials. With our modeling on high-performance computers, we were able to predict the phase diagram of nickelate superconductivity with a high degree of accuracyHow close the measured value conforms to the correct value." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">précision, comme les expériences l'ont montré plus tard », explique le professeur Karsten Held de l'Institut de physique du solide de la TU Wien.

Many materials become superconducting only just above absolute zeroAbsolute zero is the theoretical lowest temperature on the thermodynamic temperature scale. At this temperature, all atoms of an object are at rest and the object does not emit or absorb energy. The internationally agreed-upon value for this temperature is −273.15 °C (−459.67 °F; 0.00 K)." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> zéro absolu (-273,15°C), tandis que d'autres conservent leurs propriétés supraconductrices même à des températures beaucoup plus élevées. Un supraconducteur qui reste supraconducteur à température ambiante normale et à pression atmosphérique normale révolutionnerait fondamentalement la façon dont nous produisons, transportons et utilisons l'électricité. Cependant, un tel matériau n'a pas encore été découvert.

Néanmoins, les supraconducteurs à haute température, y compris ceux de la classe des cuprates, jouent un rôle important dans la technologie - par exemple, dans la transmission de courants importants ou dans la production de champs magnétiques extrêmement puissants.

La recherche des meilleurs matériaux supraconducteurs possibles est difficile : de nombreux éléments chimiques différents entrent en jeu. Vous pouvez les assembler dans différentes structures, vous pouvez ajouter de minuscules traces d'autres éléments pour optimiser la supraconductivité. "Pour trouver des candidats appropriés, vous devez comprendre au niveau de la physique quantique comment les électrons interagissent les uns avec les autres dans le matériau", explique le professeur Karsten Held.

Cela a montré qu'il existe un optimum pour la force d'interaction des électrons. L'interaction doit être forte, mais pas trop forte non plus. Il existe une "zone dorée" entre les deux qui permet d'atteindre les températures de transition les plus élevées.

Cette zone dorée d'interaction moyenne ne peut être atteinte ni avec les cuprates ni avec les nickelates – mais on peut faire mouche avec un nouveau type de matériau : les palladates. "Le palladium est directement une ligne en dessous du nickel dans le tableau périodique. Les propriétés sont similaires, mais les électrons y sont en moyenne un peu plus éloignés du noyau atomique et les uns des autres, de sorte que l'interaction électronique est plus faible", explique Karsten Held.

Les calculs du modèle montrent comment atteindre des températures de transition optimales pour les données de palladium. "Les résultats de calcul sont très prometteurs", déclare Karsten Held. « Nous espérons que nous pourrons désormais les utiliser pour lancer des recherches expérimentales. Si nous disposons d'une toute nouvelle classe supplémentaire de matériaux avec des palladates pour mieux comprendre la supraconductivité et créer des supraconducteurs encore meilleurs, cela pourrait faire avancer l'ensemble du domaine de la recherche.

Référence : "Optimizing Superconductivity: From Cuprates via Nickelates to Palladates" par Motoharu Kitatani, Liang Si, Paul Worm, Jan M. Tomczak, Ryotaro Arita et Karsten Held, 20 avril 2023, Physical Review Letters.DOI : 10.1103/PhysRevLett.130.166002