nickelate

Imaginez un tisonnier plongé dans le foyer d'un haut-fourneau. L'acier ordinaire ramollit et se déforme en quelques minutes. Les superalliages à base de nickel, qui servent à fabriquer les aubes de turbines des réacteurs, tiennent jusqu'à 1300 °C, mais au-delà, ils cèdent à leur tour.

Un orchestre gelé où les musiciens changent de place quand le chef d'orchestre, le magnétisme, donne une nouvelle partition. Dans un cristal de spinelle, les atomes de fer et de magnésium occupent deux types de sièges : les uns sont entourés de quatre voisins, les autres de six.

Un petit trou noir traverse un nuage d'hydrogène et étire les atomes comme un caramel. C'est ainsi qu'apparaît un supraconducteur lorsqu'un courant persistant y est piégé : la matière dans laquelle l'électricité circule sans perte se transforme en un aimant permanent miniature.

Les anciennes cartes au trésor étaient dessinées à partir de rumeurs : quelqu'un avait trouvé de l'or près d'une rivière, quelqu'un d'autre dans les montagnes, et chacun creusait à son propre endroit.

Dans une fine couche de cristal liquide, les molécules sont généralement disposées comme des allumettes dans une boîte : alignées dans une même direction, mais de manière désordonnée — certaines pointent vers le haut, d'autres vers le bas. Pour que toutes les allumettes pointent dans le même sens, il faut une architecture moléculaire particulière.

Un métal composé de cinq atomes différents, c'est comme une soupe où flottent des morceaux de carotte, de petits pois, de pomme de terre, d'oignon et de viande. Chaque morceau représente un élément : le chrome, le vanadium, le titane, le niobium et le tantale.

Dans le placard de la chimie, des fiches sur des substances que personne ne jugeait spéciales prenaient la poussière. Il s'avère que parmi elles se cachaient des matériaux bidimensionnels — fins comme une feuille de papier, mais résistants et dotés de propriétés surprenantes.

Un minuscule sandwich d'oxydes, cultivé couche par couche, devient parfaitement conducteur à environ moins 200 degrés Celsius. Ce n'est pas un tour de magie, mais un nouveau chapitre dans la recherche de supraconducteurs à haute température.

Un morceau de pellicule plus fin qu'un cheveu humain a été placé entre des enclumes de diamant, puis comprimé. La pression a grimpé : cent mille atmosphères, un demi-million, un million... Et le matériau continuait de conduire le courant sans résistance.

Le cristal en couches La₃Ni₂O₇ sous pression se comporte comme un orchestre où le chef change le volume des différents groupes d'instruments. Sous compression, les sauts d'électrons entre les couches augmentent — on pourrait penser que cela renforce la supraconductivité. Mais en même temps, une partie des électrons devient trop mobile.

De nombreux matériaux se comportent comme une glace capricieuse : sous une certaine pression, ils fondent ; sous une autre, ils durcissent. Les supraconducteurs de la famille des cuprates ne font pas exception. Leur capacité à conduire le courant sans perte dépend de la compression du réseau cristallin.

Une plaquette de céramique aussi fine qu'un film de savon, et pourtant un courant la traverse sans la moindre résistance. Voilà à quoi ressemble la supraconductivité obtenue dans les nickelates, ces cousins des célèbres supraconducteurs à base de cuprates.

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.

Dans la fournaise de la formation stellaire, la température atteint 900 degrés — comme dans un haut-fourneau incandescent. C'est dans cette chaleur extrême que naissent les cristaux cosmiques.

Un gâteau en couches où chaque étage conduit l'électricité à sa manière : c'est ainsi qu'est structuré le cristal La3Ni2O7, un composé de nickel, de lanthane et d'oxygène. Le courant circule différemment le long des couches et à travers elles.

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.

La famille des nickelates est constituée de cristaux en couches, semblables à une pile de crêpes : les couches de nickel et d'oxygène alternent avec des intercalaires de lanthane. Il y a deux ans, on y a découvert la supraconductivité — la capacité de conduire le courant sans résistance lorsqu'ils sont refroidis.

À des centaines d'années-lumière de nous, il existe une planète qui ressemble à un miroir géant. LTT9779b réfléchit la majeure partie de la lumière qu'elle reçoit — bien plus que ce que l'on pourrait attendre d'un corps de la taille de Neptune. Les astronomes se sont longtemps demandé ce qui la rendait si brillante : une brume métallique dense ou une couche de nuages.

Les ingénieurs fabriquent un alliage pour les concentrateurs solaires en y ajoutant des particules dures — comme des raisins secs dans une pâte, pour qu'elle garde sa forme sous une chaleur extrême. Des raisins trop gros, et le matériau fissure. Avant, les scientifiques les comptaient manuellement sur des images de microscope.

D'ordinaire, la supraconductivité est une histoire de froid. Plus la température est basse, plus il est facile pour les électrons de s'apparier et de circuler sans résistance. Mais dans cette nouvelle étude, des physiciens ont cultivé de minces films de nickelates dopés à l'europium et ont observé le tableau inverse.

Dans la boue trouble, entre deux électrodes, s'alignent de longues chaînes de bactéries, fines comme un câble microscopique. Chaque filament conduit le courant sur un centimètre entier, un véritable marathon pour un microbe.

À l'aide de la spectroscopie laser — une méthode que l'on peut comparer à l'écoute de l'écho d'un cristal — les physiciens ont étudié un matériau en couches. Ils ont trouvé des zones où les électrons se déplacent librement (les poches de Fermi) et ont remarqué que chacune de ces zones se comporte différemment.

Les supraconducteurs conduisent le courant sans perte, mais exigent généralement un froid extrême. Hg1223 — un mélange de mercure, de baryum, de calcium, de cuivre et d'oxygène — enfreint la règle : il cesse de résister au courant dès –139 °C. Le secret réside dans le fait que la forte répulsion électrique entre les électrons les force à s'apparier.

Les électrons dans un conducteur ressemblent à une foule désordonnée : en se heurtant, ils perdent de l'énergie, et une résistance apparaît. Dans un supraconducteur, en revanche, ils se déplacent de manière coordonnée, comme des couples dans une danse bien réglée, sans se gêner. Cet état a une entropie réduite — c'est-à-dire un désordre moindre.

Un sandwich où, au lieu du pain, on trouve des couches d'oxyde de cuivre, et entre elles, une fine couche d'ions strontium. C'est le cuprate à couches infinies, la variante la plus simple de la céramique supraconductrice, imaginée il y a près de 40 ans.

Un pont fait de deux rangées de planches fléchit sous les pas des piétons — et chaque pas reçoit l'aide du mouvement élastique du tablier. Un principe similaire est à la base de la supraconductivité : les électrons glissent sans résistance parce que le réseau atomique s'adapte à eux.

Un stade bondé : les supporters s'agitent dans le désordre, créant bousculades et résistance. C'est ainsi que se comportent les électrons dans un conducteur ordinaire.

La piste de danse est pleine de couples qui tournoient en valse. Habituellement, les partenaires se déplacent dans des directions opposées : l'un fait un pas en avant, l'autre en arrière, pour garder le rythme commun.

Le cristal La3Ni2O7 ressemble à un gâteau en couches, où la garniture d'atomes de nickel et d'oxygène alterne avec des couches de lanthane.

Un gâteau en couches de plans atomiques de nickel et d'oxygène — c'est ainsi que sont faits les nickelates à double couche. Deux de ces plans sont séparés par une couche intermédiaire. Si un atome d'oxygène se loge dans cette couche, il agit comme un pont : il relie les couches et déclenche un état dans lequel les électrons se déplacent sans résistance.

Dans les métaux que nous connaissons, comme le cuivre, les électrons se déplacent presque indépendamment — comme des voitures sur une autoroute dégagée. La résistance provient de collisions rares, et on peut la décrire par des formules simples.

Un cristal, c'est comme une ville : si les rues sont tortueuses, la circulation s'embourbe. Dans un cristal, les rangées d'atomes jouent le rôle des rues, et la circulation, c'est le flux d'électrons. La moindre irrégularité, impureté ou déplacement d'atome fait dévier les électrons.

Un couteau de cuisine ordinaire en niobium, à −258 °C, se met soudain à conduire le courant sans la moindre perte. C'est le principe de la supraconductivité, et on peut l'« activer » directement à la surface du métal en la bombardant avec un laser sous atmosphère d'azote.

L'azote — ce même gaz que nous respirons — se comporte comme un métal capricieux sous une pression d'un million d'atmosphères. Dans une cellule à enclumes de diamant, on le comprime jusqu'à 78–98 gigapascals et on le chauffe au laser jusqu'à 1800–2500 kelvins.

Un supraconducteur est un matériau qui, lorsqu'il est fortement refroidi, perd sa résistance électrique : le courant le traverse sans perte. Des scientifiques ont pris un cristal stratifié de PdTe2, semblable à une pile de feuilles de papier, et l'ont refroidi à une température inférieure à 1,8 kelvin (soit environ -271°C).

Le sel de table relève le goût des plats en cuisine, mais en laboratoire, il aide à faire pousser des cristaux épais de quelques atomes. Des scientifiques ont utilisé du séléniure d'étain et, grâce au sel, ont obtenu de très fines lamelles — si fines qu'on les qualifie de bidimensionnelles.

Au cœur des supraconducteurs à base de cuivre — ces matériaux qui conduisent le courant sans perte à des températures étonnamment élevées — se cache une phase invisible. Elle se comporte comme un métal ordinaire, mais elle est indétectable dans les mesures standard.

Un cristal de cuivre est comprimé dans une enclume de diamant. La pression augmente, et à l'intérieur du matériau se déroule une lutte entre deux états : l'un prépare les électrons à la supraconductivité, l'autre, au contraire, les empêche de s'associer. Les scientifiques ont suivi cette lutte à l'aide d'impulsions laser ultrabrèves.

Un alliage de palladium et de tellure, auquel on a ajouté un peu d'or, se comporte comme un fil qui perd sa résistance lorsqu'on le refroidit.

Un panier tressé en osier tient sa forme grâce à l'entrelacement des brins. Un motif similaire — des triangles imbriqués dans un réseau plat — a été découvert dans un nouveau cristal de formule Cs₃V₉Te₁₃. Ici, les atomes de vanadium forment deux ensembles de triangles qui se traversent mutuellement, comme des fils dans un tissu.