Les oxydes de palladium pourraient faire de meilleurs supraconducteurs

May 27, 2023

Selon les calculs de chercheurs de l'Université de Hyogo, Japon, TU Wien et collègues. La nouvelle étude identifie en outre deux de ces palladates comme étant "pratiquement optimaux" en termes de deux propriétés importantes pour les supraconducteurs à haute température : la force de corrélation et les fluctuations spatiales des électrons dans le matériau.

Les supraconducteurs sont des matériaux qui conduisent l'électricité sans résistance lorsqu'ils sont refroidis en dessous d'une certaine température de transition, Tc. Le premier supraconducteur découvert était le mercure solide en 1911, mais sa température de transition n'est que de quelques degrés au-dessus du zéro absolu, ce qui signifie qu'un liquide de refroidissement coûteux à l'hélium liquide est nécessaire pour le maintenir dans la phase supraconductrice. Plusieurs autres supraconducteurs "conventionnels", comme on les appelle, ont été découverts peu de temps après, mais tous ont des valeurs de Tc tout aussi faibles.

À partir de la fin des années 1980, cependant, une nouvelle classe de supraconducteurs "à haute température" avec Tc au-dessus du point d'ébullition de l'azote liquide (77 K) a émergé. Ces supraconducteurs "non conventionnels" ne sont pas des métaux mais des isolants contenant des oxydes de cuivre (cuprates), et leur existence suggère que la supraconductivité peut persister à des températures encore plus élevées. Récemment, des chercheurs ont identifié des matériaux à base d'oxydes de nickel comme étant de bons supraconducteurs à haute température dans la même lignée que leurs cousins ​​cuprates.

Un objectif majeur de cette recherche est de trouver des matériaux qui restent supraconducteurs même à température ambiante. De tels matériaux amélioreraient considérablement l'efficacité des générateurs électriques et des lignes de transmission, tout en rendant les applications courantes de la supraconductivité (y compris les aimants supraconducteurs dans les accélérateurs de particules et les appareils médicaux comme les scanners IRM) plus simples et moins chères.

La théorie classique de la supraconductivité (connue sous le nom de théorie BCS du nom de ses découvreurs, Bardeen, Cooper et Schrieffer) explique pourquoi le mercure et la plupart des éléments métalliques supraconduisent en dessous de leur Tc : leurs électrons fermioniques s'apparient pour créer des bosons appelés paires de Cooper. Ces bosons forment un condensat cohérent en phase qui peut traverser le matériau sous forme de supercourant qui ne subit pas de diffusion, et la supraconductivité apparaît en conséquence. La théorie échoue cependant lorsqu'il s'agit d'expliquer les mécanismes derrière les supraconducteurs à haute température. En effet, la supraconductivité non conventionnelle est un problème fondamental non résolu en physique de la matière condensée.

Pour mieux comprendre ces matériaux, les chercheurs doivent savoir comment les électrons de ces métaux de transition 3D sont corrélés et à quel point ils interagissent les uns avec les autres. Les effets de fluctuation spatiale (qui sont renforcés par le fait que ces oxydes sont généralement fabriqués sous forme de matériaux bidimensionnels ou à couche mince) sont également importants. Bien que des techniques telles que les perturbations schématiques de Feynman puissent être utilisées pour décrire de telles fluctuations, elles ne parviennent pas à capturer des effets de corrélation comme la transition métal-isolant (Mott), qui est l'une des pierres angulaires de la supraconductivité à haute température.

C'est là qu'un modèle connu sous le nom de théorie dynamique du champ moyen (DMFT) prend tout son sens. Dans le nouveau travail, des chercheurs dirigés par le physicien de l'état solide de la TU Wien, Karsten Held, ont utilisé des extensions dites schématiques de la DMFT pour étudier le comportement supraconducteur de plusieurs composés de palladate.

Les supraconducteurs cuprates contiennent un composant étrange

Les calculs, qui sont détaillés dans Physical Review Letters, révèlent que l'interaction entre les électrons doit être forte, mais pas trop forte, pour atteindre des températures de transition élevées. Ni les cuprates ni les nickelates ne sont proches de cette interaction optimale de type moyen, mais les palladates le sont. "Le palladium est directement une ligne en dessous du nickel dans le tableau périodique", observe Held. "Les propriétés sont similaires, mais les électrons y sont en moyenne un peu plus éloignés du noyau atomique et les uns des autres, de sorte que l'interaction électronique est plus faible."

Les chercheurs ont découvert que si certains palladates, notamment RbSr2PdO3 et A′2PdO2Cl2 (A′=Ba0.5La0.5), sont "pratiquement optimaux", d'autres, comme NdPdO2, sont trop faiblement corrélés. "Notre description théorique de la supraconductivité a atteint un nouveau niveau", a déclaré Motoharu Kitatani de l'Université de Hyogo à Physics World. "Nous sommes convaincus que nos collègues expérimentaux vont maintenant essayer de synthétiser ces matériaux."