Supraconductivité observée dans un oxyde de nickel non magnétique

En 1986, des scientifiques ont découvert de façon inattendue qu’un oxyde de cuivre, de baryum de lanthane, La_1,85Ba_0,15CuO₄, devient un supraconducteur (a une résistance électrique nulle) en dessous d'une température relativement élevée de 35 kelvin. Ce résultat a déclenché l'un des efforts de recherche expérimentaux et théoriques les plus intenses en physique de la matière condensée. Peu après, de nombreux autres oxydes de cuivre (cuprates) se sont révélés supraconducteurs à des températures jusqu'à 133,5 K. Cependant, après plus de 30 ans, il n'y a pas de consensus sur le mécanisme sous-jacent de la supraconductivité du cuprate. , Li et al. signaler qu'un oxyde de néodyme strontium-nickel, Nd_0.8Sr_0,2NiO₂supraconducteurs inférieurs à 9–15 K. Ce matériau présente une structure cristalline similaire à celle des supraconducteurs en cuprate, ce qui suggère que la découverte des auteurs pourrait permettre de mieux comprendre la supraconductivité dans ces systèmes.

La supraconductivité peut se produire dans un matériau métallique si l’interaction répulsive habituelle entre électrons se révèle attractive. Dans ce scénario, la réponse des atomes environnants à la charge et au spin (moment magnétique) des électrons entraîne indirectement un appariement des électrons. À une température suffisamment basse, ces paires d'électrons se condensent pour former un superfluide (un état de matière qui coule sans frottement), qui présente une résistance électrique nulle. La clé pour comprendre la supraconductivité dans un matériau donné consiste à identifier le mécanisme qui fournit la «colle de couplage».

Dans le mécanisme classique, le déplacement spatial d'atomes proches d'un électron forme une région attractive pour un autre électron.. Une analogie est celle de deux balles lourdes sur un matelas à ressorts, l’indentation dans le matelas faite par l’une des balles produisant une région attrayante pour l’autre balle. Cependant, certains travaux théoriques suggèrent que cet effet est trop faible pour tenir compte de la supraconductivité à haute température des cuprates.

Les chercheurs ont donc considéré que les spins d'électrons en mouvement pouvaient entraîner des déviations de l'ordre magnétique (le modèle ordonné de spins atomiques) dans les cuprates. En ce qui concerne l'analogie avec le matelas, ces déviations représentent les empreintes de matelas et les fortes interactions entre les spins du cuivre voisin.²⁺ les ions représentent les ressorts du matelas. Pour comprendre le fonctionnement de ce mécanisme, considérons le supraconducteur en cuprate La_1,85Ba_0,15CuO₄, qui est obtenu à partir du composé La₂CuO₄ en remplaçant certains atomes de lanthane par du baryum.

À la₂CuO₄, les électrons d'un Cu particulier²⁺ les ions sont empêchés de se déplacer par leur forte répulsion vers les électrons du Cu environnant²⁺ les ions. En conséquence, le matériau est un isolant électrique. Chaque cu²⁺ L'ion a un nombre impair d'électrons et un spin net de 1/2. Les ions ont un ordre antiferromagnétique fort, ce qui signifie que les spins des ions voisins pointent dans des directions opposées.

Quand le lanthane à La₂CuO₄ est partiellement remplacé par du baryum, des trous d’électrons, appelés trous, sont introduits dans le système par un processus appelé dopage. Ces trous migrent vers les plans de CuO₂ dans le matériau. Si leur densité est suffisamment faible, ils agissent comme des porteurs de charge à déplacement libre, ce qui entraîne un comportement métallique. La combinaison d'un Cu²⁺ L'ion et un trou dopé ont un nombre pair d'électrons et un spin net de 0, ce qui provoque une grave perturbation dans les directions de spin du Cu environnant²⁺ les ions. C'est ce changement de fond magnétique associé au dopage de trous qui conduit à l'appariement.

Au cours des 30 dernières années environ, les chercheurs ont recherché la supraconductivité dans d'autres composés dont les plans contiennent des ions spin-1/2. Des exemples de tels composés sont LaNiO₂ et NdNiO₂, qui comprennent des plans alternés de lanthane ou de néodyme et de NiO₂. Ni¹⁺ les ions de ces matériaux pourraient jouer le même rôle dans l'induction de la supraconductivité que le Cu²⁺ ions à La_1,85Ba_0,15CuO₄. Plusieurs groupes ont préparé LaNiO₂ et NdNiO₂ sous forme de poudre ou sous forme de film mince (voir, par exemple, références 6 à 8). Cependant, aucune supraconductivité (mais également aucun signe d'ordre magnétique) n'a été trouvée.

Entrez Li et ses collègues. Les auteurs ont développé une couche mince de NdNiO₂ puis dopé ce film en remplaçant certains Nd³⁺ ions avec Sr²⁺ les ions. Ils ont constaté que le matériau résultant, Nd_0.8Sr_0,2NiO₂Des supraconducteurs à des températures allant jusqu’à 15 K. Après une trentaine d’années d’essais, les scientifiques ont finalement trouvé un composé non cuprate présentant une structure semblable à celle du cuprate et présentant une supraconductivité à des températures étonnamment élevées. Mais, contrairement aux cuprates, il n'y a aucun signe d'ordre magnétique dans NdNiO₂ jusqu'à une température La découverte des auteurs pourrait donc indiquer que le magnétisme n’est pas exclusivement responsable de la supraconductivité du cuprate.

Cependant, cette conclusion repose sur l'hypothèse que les cuprates et le NdNiO dopé par trous₂ ont des structures électroniques similaires. Cette hypothèse peut ne pas être valide pour trois raisons. Tout d’abord, dans les cuprates, les trous résident principalement dans le 2p orbitales électroniques d'atomes d'oxygène. Les spins de ces trous sont couplés de manière antiferromagnétique aux spins du Cu voisin²⁺ produisant un spin net de 0. En revanche, dans le NdNiO dopé par trous₂, les trous résident principalement dans Ni¹⁺ ions et résultent en Ni²⁺ ions qui, dans les oxydes conventionnels, ont un spin de 1. Mais peut-être que la situation ici est différente de celle des oxydes conventionnels. La spectroscopie à rayons X pourrait déterminer si c'est le cas si suffisamment d'échantillons sont disponibles.

Deuxièmement, le couplage antiferromagnétique entre spins pourrait être sensiblement plus fort chez les cuprates que chez NdNiO₂. Cette différence serait compatible avec l’absence d’ordre magnétique dans NdNiO₂. Et troisièmement, une étude théorique suggère que 5ré orbitales électroniques des atomes de lanthane dans LaNiO₂ et des atomes de néodyme dans NdNiO₂ sont impliqués dans le transport électrique. Si confirmé, ce résultat pourrait changer complètement l'image. En particulier, les spins locaux seraient affectés s'ils étaient couplés à des électrons conducteurs délocalisés, comme dans les composés appelés systèmes de Kondo.. Ces systèmes présentent un minimum dans un graphique de résistivité en fonction de la température, qui est observée par Li et al. pour NdNiO₂.

Il faut donc résoudre de nombreux problèmes avant de pouvoir conclure que les structures électroniques des cuprates et du NdNiO dopé par trous₂ sont similaires. Les travaux futurs devraient vérifier que les ions nickel dans NdNiO₂ sont Ni¹⁺ ions, déterminent la symétrie et le spin locaux des états dopés au trou et explorent la manière dont la température à laquelle le matériau devient supraconducteur varie avec le dopage du trou. La composition chimique du matériau doit également être vérifiée, car des hydrures ou hydroxydes indésirables pourraient s’être formés. Néanmoins, le travail de Li et de ses collègues pourrait changer la donne pour notre compréhension de la supraconductivité dans les cuprates et leurs systèmes, conduisant peut-être à de nouveaux supraconducteurs à haute température.