supraconductivité des nickelates

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 mince film de nitrure de zirconium repose sur un substrat d'oxyde de magnésium. L'épaisseur est de deux dixièmes de micron, comme une toile d'araignée, mais à l'intérieur bouillonne une vie quantique.

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.

L'enquête cosmique a commencé avec un sursaut discret dans le domaine optique. L'objet AT2019wzc s'est lentement allumé puis éteint, comme une braise qui couve. Mais à l'intérieur se cachait quelque chose de bien plus énergétique : des sursauts répétés de rayons X mous, que les astronomes appellent éruptions quasi-périodiques.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Deux feuilles de semi-conducteur aussi fines que du papier sont superposées et légèrement tournées — de trois à quatre degrés environ. Les réseaux atomiques ne coïncident pas, et un motif de grande taille apparaît — un moiré, semblable aux ondulations produites par deux planches à laver décalées d'un petit angle.

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.

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.

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.

Le courant électrique dans un supraconducteur ressemble à une foule qui court dans un couloir sans frottement. Mais dans les supraconducteurs de type II, il y a des obstacles : de minuscules vortex de champ magnétique que le courant déplace. Dès qu'un vortex bouge, une résistance apparaît et le courant chute.

Un supraconducteur est un matériau qui, lorsqu'il est fortement refroidi, conduit le courant sans pertes, comme l'eau s'écoule dans un tuyau parfaitement lisse. Mais si on le frappe avec un bref éclair de lumière, il perd rapidement cette propriété.

Un film mince de niobium et d'étain conduit le courant sans résistance, tant qu'on ne le rend pas vraiment trop mince. Alors, il devient soudainement isolant. Un groupe de physiciens a vérifié ce qui se passe si l'on ajoute un peu plus d'étain que ne le veut la formule.

Un ordinateur quantique ressemble à un instrument de musique : même une minuscule rayure sur une corde gâche le son. Au lieu de cordes, on trouve des résonateurs supraconducteurs, de fines pistes de nitrure de titane sur une plaque de silicium.

Le matériau en couches (SnS)1.15(TaS2) ressemble à une pile de feuilles de papier : les feuilles conduisent le courant, et entre elles se trouvent des intercalaires qui empêchent les couches de coller ensemble. À pression ambiante, ce matériau conduit le courant sans résistance, c'est-à-dire qu'il est supraconducteur.

En pesant un morceau de glace dans un verre d'eau, on peut savoir quelle quantité d'eau a déjà gelé. Si la balance se trompe d'un facteur trois, la glace semblera bien plus abondante qu'elle ne l'est en réalité. Une histoire similaire est arrivée avec les calculs de la phase supraconductrice dans un cristal de nickel, de lanthane et de samarium sous haute pression.

Une balance mal calibrée affiche plus que ce qu'il y a réellement — et le morceau de fromage semble plus lourd. Un problème similaire s'est produit lors de la mesure de la supraconductivité dans les nickelates, des matériaux qui conduisent le courant sans résistance dans certaines conditions.

Un bloc de métal composé de cinq métaux différents — hafnium, niobium, scandium, titane et zirconium — repose dans un four. Après chauffage à 600 degrés, des zones apparaissent à l'intérieur, semblables à un motif de deux métaux mélangés, comme des veines de marbre.

Un vieux t-shirt dissous dans une solution alcaline donne un gel, qui devient le cœur d'un accumulateur d'énergie. Le second composant est fabriqué à partir de chitosane, une substance extraite des carapaces de crevettes. Pas de métaux : uniquement du coton recyclé et des fruits de mer.

Un métal, c'est comme une corde faite de nombreux brins : si on tire trop fort, elle casse. Les ingénieurs cherchent depuis longtemps à le rendre à la fois résistant et flexible. En général, les additifs qui augmentent la résistance rendent le métal fragile.

Un supraconducteur, c'est un peu comme une ville où les électrons cessent de se bousculer et se mettent à avancer par paires, comme des gens qui marchent main dans la main. Dans le nickelate de néodyme et de strontium (Nd₀.₈Sr₀.₂NiO₂), ce « défilé » apparaît à environ 10 kelvins (moins 263 degrés Celsius), mais pas de manière uniforme.

Les électrons dans un métal, c'est un peu comme la foule dans le métro : chacun vaque à ses occupations, mais à la moindre poussée, tout le monde bouge d'un coup. Cette oscillation collective du gaz électronique, les physiciens l'appellent un plasmon.

La pointe d'une aiguille, que l'on promène sur une surface pour en sonder les irrégularités, s'est dotée d'un « nez » ultra-sensible aux champs magnétiques.

À une température de 4,3 degrés au-dessus du zéro absolu, le cristal de tellurure de palladium cesse de résister au courant électrique. Les électrons s'y apparient et se déplacent sans perte, comme une foule qui se tient par la main. Mais ce supraconducteur semble avoir non pas un, mais deux modes d'appariement différents.

Moment dipolaire mesuré du tantale-181 : 3,39 × 10⁻³² e·cm — c'est comme repérer un déplacement d'un atome à l'échelle du système solaire. Un noyau atomique ordinaire est parfaitement équilibré, telle une toupie qui tourne.