Des impulsions magnétiques génèrent la supraconductivité dans les nickelates express
Le courant sans pertes — le rêve de l'énergie. Certains matériaux deviennent supraconducteurs, mais généralement seulement à des températures extrêmement basses. Récemment, dans la famille des nickelates — des composés à base de nickel — on a découvert des candidats qui fonctionnent à des températures plus élevées. Un groupe de théoriciens a pris trois de ces substances (avec du lanthane, du praséodyme et du néodyme) et a calculé leur comportement « à partir de zéro », sans ajustement à l'expérience.
Le calcul a révélé un tableau inattendu. Dans ces cristaux, les électrons forment des paires non pas grâce aux vibrations thermiques du réseau atomique, comme dans les supraconducteurs classiques. À la place, c'est une excitation magnétique collective qui opère — les fluctuations de spin. Elles ressemblent à une vague qui déferle sur la rangée de spins électroniques et les fait bouger en synchronie. Si l'on « désactive » ce mécanisme dans le modèle, la supraconductivité disparaît : la température critique chute à 0,01 kelvin — plus froid que dans l'espace interstellaire.
Le résultat principal — la forme prédite de la bande interdite supraconductrice. Elle ressemble à une fleur à quatre pétales : dans certaines directions, l'énergie de liaison des électrons est maximale, dans d'autres, elle tombe à zéro. Ce motif provient des pics de réponse du liquide électronique aux angles de la zone de Brillouin — une sorte de carte des états permis de l'électron dans le cristal. Les calculs concordent bien avec les expériences déjà existantes, et les prédictions détaillées pour la microscopie à effet tunnel attendent d'être vérifiées en laboratoire.
La danse magnétique des électrons, et non le tremblement des atomes, ouvre la voie à la supraconductivité dans les nickelates. Cela change la vision de toute une classe de matériaux.
Résumé original
tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2608.00512v1
Infinite-layer nickelates have recently emerged as a new family of potential unconventional high critical temperature ($$T_c$$) superconductors. However, fundamental questions such as their superconducting (SC) pairing mechanism and gap symmetry remain under intense debate. Here we present a fully {\it ab initio} theoretical study on the SC properties of optimally doped nickelates $$Re$$$$_{0.8}$$Sr$$_{0.2}$$NiO$$_2$$ ($$Re=$$ La, Pr, Nd), based on the density functional theory for superconductors calculations with electron-phonon coupling (EPC), screened Coulomb repulsion and spin fluctuation (SF) interaction treated on an equal footing. We find that $$Re_{0.8}$$Sr$$_{0.2}$$NiO$$_2$$ are two-band superconductors with sign reversal $$d_{x^2-y^2}(\pm)$$-wave gap functions on the different Fermi surface (FS) pockets. Interestingly, when the SF interaction is turned off, $$T_c$$ becomes negligibly small ($$\sim$$0.01 K), thus demonstrating that the superconductivity in $$Re_{0.8}$$Sr$$_{0.2}$$NiO$$_2$$ is driven by SF interaction. Moreover, our {\it ab initio} calculations reveal that the SF interaction is an order of magnitude stronger than both EPC and Coulomb repulsion on the large quasi-two-dimensional FS pocket around the Brillouin zone (BZ) center, thus leading to the SF-mediated pairing mechanism, although the EPC dominates on the small three-dimensional electron FS pockets at the BZ corners. The emergence of nodal $$d_{x^2-y^2}(\pm)$$-wave gap structure is traced to the pronounced peaks in the Lindhard response function at the BZ corners. Our calculated FS, SC critical temperature, nodal gap structure and SC quasiparticle density of states are consistent with most available experiments. Furthermore, predicted unconventional SC properties such as scanning tunneling spectra of La$$_{0.8}$$Sr$$_{0.2}$$NiO$$_2$$ and Pr$$_{0.8}$$Sr$$_{0.2}$$NiO$$_2$$ are ready for immediate experimental verifications.
La température critique d'un supraconducteur sans fluctuations de spin — 0,01 K — est proche de la température la plus basse jamais obtenue en laboratoire (environ 100 picokelvins).
Dans le roman « Blindsight » de Peter Watts, les vaisseaux extraterrestres utilisent des circuits supraconducteurs pour contrôler les champs magnétiques sans perte d'énergie — un peu comme les fluctuations de spin contrôlent les électrons dans les nickelates.