Nouveau matériel facilite la recherche de la supraconductivité à température ambiante.

12 mai 2023

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par le Skolkovo Institute of Science and Technology

Des scientifiques de l'Université de Jilin, du Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research et de Skoltech ont synthétisé un polyhydrure de lanthane-cérium, un matériau qui promet de faciliter les études de la supraconductivité à une température proche de la température ambiante. Il offre un compromis entre les polyhydrures de lanthane et de cérium en termes de quantité de refroidissement et de pression nécessaire. Cela facilite les expériences, ce qui pourrait un jour conduire les scientifiques à des composés qui conduisent l'électricité sans résistance dans des conditions ambiantes - un rêve d'ingénierie en gestation depuis de nombreuses années. L'étude a été publiée dans Nature Communications. 

Une des questions les plus intrigantes non résolues de la physique moderne est : pouvons-nous fabriquer un matériau qui conduit l'électricité sans résistance (supraconducteur) à température ambiante et à pression atmosphérique ? Un tel supraconducteur permettrait des réseaux électriques d'une efficacité sans précédent, des microprocesseurs ultra-rapides et des électroaimants si puissants qu'ils pourraient faire léviter des trains ou contrôler des réacteurs à fusion.

Dans leur recherche, les scientifiques explorent plusieurs classes de matériaux, en augmentant lentement la température à laquelle ils se supraconductent et en diminuant la pression nécessaire pour rester stables. Un des groupes de matériaux est constitué de polyhydrures - des composés ayant une teneur extrêmement élevée en hydrogène. À -23°C, le champion actuel de la supraconductivité à haute température est un polyhydrure de lanthane de formule LaH10. Le compromis : il nécessite une pression de 1,5 million d'atmosphères. À l'autre extrémité du spectre, les cuprates sont une classe de matériaux qui se supraconductent sous pression atmosphérique normale mais nécessitent des températures plus froides - pas plus de -140°.

Maintenant, les chercheurs de Skoltech et leurs collègues chinois ont réussi à assouplir les exigences de pression des supraconducteurs à polyhydrures. Pour ce faire, l'équipe a modifié le système lanthane-hydrogène en ajoutant un peu de cérium au mélange. Physiquement, cela signifiait faire une alliage de lanthane-cérium et le chauffer dans une cellule à haute pression avec de l'ammoniac borane, une substance qui libère beaucoup d'hydrogène lorsqu'elle se décompose.

Le lanthane et le cérium sont deux atomes très similaires qui forment des composés analogues et peuvent souvent être substitués l'un à l'autre. Cependant, bien que la supraconductivité ait été signalée pour les polyhydrures LaH10 et CeH10, ainsi que pour CeH9, la phase LaH9 correspondante est rarement observée par les expérimentateurs. Les scientifiques ont décidé de tester l'hypothèse : il devrait être possible de stabiliser LaH9 en le complémentant avec un additif approprié, tel que le cérium, à condition que cela modifie la structure du matériau d'origine. Et ça a marché.

"A très haute pression, le lanthane et l'hydrogène forment la structure LaH10. Mais si vous remplacez environ 1 lanthane sur 4 par du cérium, cela réorganise la structure en l'arrangement vu dans CeH9. En ce sens, l'introduction du troisième élément modifie la structure que le matériau pur aurait sinon assumée. Et cet additif contribue à la stabilité : comparé aux 1,5 million atmosphères nécessaires pour LaH10, notre polyhydrure de lanthane-cérium est stable pour seulement 1 million atmosphères. C'est à peu près la même pression que celle requise pour les polyhydrures de cérium, mais ceux-ci présentent une supraconductivité seulement en dessous de -158°C, alors que le nouveau supraconducteur fonctionne à -97°C. C'est donc un bon compromis, mais surtout, c'est une assurance que notre raisonnement est juste", commente l'auteur de l'étude, le professeur Artem R. Oganov de Skoltech.

Travaillant dans un domaine où il n'y a pas si longtemps, beaucoup doutaient que la supraconductivité dite conventionnelle - comme celle des polyhydrures - puisse jamais exister à des températures supérieures à -230°C environ, Oganov accorde une importance particulière à la mise à l'épreuve et à l'affinement des règles qui permettent de découvrir et d'améliorer les supraconducteurs de manière fiable et systématique. Il pense donc que même si les polyhydrures en général ne seront presque jamais amenés à se supraconducter à une pression atmosphérique (ce qui est une condition nécessaire pour des applications à grande échelle telles que les trains à lévitation magnétique ou les réseaux électriques sans perte), leur étude permet d'acquérir des connaissances sur la supraconductivité qui nous rapprochent de l'objectif ultime avec d'autres matériaux.

'Polyhydrides are an Eldorado for fundamental superconductor research under pressure,' Oganov says. 'And by synthesizing our new compound, we have both tested and refined the tools and tricks useful in this quest and supplied a convenient material for further studies.'

'The work is also interesting for two key experiments: It shows the possible anisotropy of the upper critical field for hydrides. That is, the dependence of critical temperature on the direction of the magnetic field. And it also shows that with a decrease in pressure, a pseudogap phase manifests in polyhydrides,' study co-author and Skoltech Ph.D. alumnus Dmitrii Semenok said, adding that both properties are characteristic of cuprate superconductors. 'Thus, on closer inspection, polyhydrides turn out to be much like cuprates despite the different mechanisms of superconductivity.'

Asked about other promising compounds that current polyhydride research is leading to, the researchers responded that hydrides and borohydrides of calcium, yttrium, lanthanum, and magnesium seem to deserve research attention at this point.

Journal information: Nature Communications

Provided by Skolkovo Institute of Science and Technology