Supraconductivité dans les nickelates sans dopage express
On refroidit un morceau de métal à moins deux cents degrés, et le courant électrique se met à le traverser sans la moindre friction, comme si l'eau dans un tuyau coulait sans toucher les parois. Ce comportement s'appelle la supraconductivité. Pendant longtemps, on l'a cherchée dans les nickelates, des composés de nickel et d'oxygène dont la structure ressemble à celle des célèbres supraconducteurs à base de cuivre. On pensait que pour déclencher la supraconductivité, il fallait obligatoirement remplacer une partie des atomes du cristal par d'autres, environ un atome sur cinq. C'est comme si, pour que les patins glissent sur la glace, il fallait d'abord saupoudrer la patinoire de sable.
Dans ces nouveaux travaux, les physiciens ont cultivé des couches ultraminces de nickelate PrNiO₂, si minces que leur épaisseur est comparable à la taille de quelques atomes. Et ils ont découvert la supraconductivité dans un matériau parfaitement pur, sans aucun dopant. Les couches conduisaient le courant sans résistance et repoussaient le champ magnétique, deux signes majeurs d'une véritable supraconductivité. Pour exclure l'influence du substrat sur lequel les couches étaient cultivées, les scientifiques ont créé une structure stratifiée complexe et se sont assurés que l'effet naît bien dans le nickelate lui-même, et non à l'interface avec un autre matériau.
La découverte la plus surprenante est que, sur la carte des propriétés du matériau, cette nouvelle « île » supraconductrice est séparée du « continent » déjà connu par une large région où la supraconductivité est totalement absente. On pensait auparavant que la supraconductivité dans les nickelates augmentait progressivement avec l'ajout de dopants, atteignait un pic puis diminuait, comme une colline. Désormais, on voit qu'à faible dopage elle apparaît, disparaît, puis réapparaît à plus fort dopage. Les deux régimes diffèrent également par leur réponse au champ magnétique : dans le nouveau régime, la supraconductivité dépend beaucoup plus fortement de l'orientation du champ. Cela indique une nature interne différente du phénomène.
Cette découverte bouleverse notre regard sur les nickelates. On ne peut plus les considérer simplement comme des jumeaux des cuprates : ils ont leur propre physique de la supraconductivité, encore inexpliquée. Le nickelate pur conduit le courant sans pertes à des températures encore loin de la température ambiante, mais le simple fait qu'il existe deux mécanismes différents dans une même famille de matériaux promet de nouvelles voies vers la compréhension de la supraconductivité à haute température. Peut-être que la clé ne réside pas dans les dopants, mais dans la capacité à préserver l'ordre parfait du cristal.
Résumé original
tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2607.16684
Infinite-layer nickelates have been widely viewed as cuprate analogs in which superconductivity emerges and forms a superconducting dome centered around 10-20% cation substitution. Here we show that pristine and stoichiometric PrNiO2, without cation substitution, exhibits intrinsic superconductivity characterized by zero resistance and diamagnetism in uncapped films. Through heterostructure engineering, we further exclude an interfacial origin of the superconductivity. Remarkably, zero-resistance superconductivity is consistently observed in trivalent-substituted PrNiO2, whereas it is rapidly suppressed by dilute divalent substitution. Combined with angle-resolved photoemission studies, these results indicate that such a new superconducting regime is confined to within 3% additional hole doping from pristine PrNiO2. Furthermore, this phase is separated from the previously established superconducting dome around ~ 20% divalent doping by a non-superconducting region in the phase diagram, and is further distinguished by a remarkably stronger upper-critical-field anisotropy. These findings establish a unique separated superconducting regime, suggesting that infinite-layer nickelates are not merely cuprate analogs but host distinct superconducting physics.
Les couches supraconductrices de PrNiO₂ étaient si minces que leur épaisseur ne représentait que quelques couches atomiques, environ cent mille fois plus fine qu'un cheveu humain.
Dans le roman « Blindsight » de Peter Watts, les vaisseaux extraterrestres utilisent des circuits supraconducteurs pour masquer leurs champs magnétiques : la découverte de nouveaux régimes supraconducteurs rapproche la science-fiction de la réalité.