Des ondes d’excitation magnétique traversent ce nouveau matériau passionnant, qu’il soit ou non en mode supraconducteur, un autre indice possible de la façon dont les supraconducteurs non conventionnels transportent le courant électrique sans perte. – .

Des ondes d’excitation magnétique traversent ce nouveau matériau passionnant, qu’il soit ou non en mode supraconducteur, un autre indice possible de la façon dont les supraconducteurs non conventionnels transportent le courant électrique sans perte. – .
Des ondes d’excitation magnétique traversent ce nouveau matériau passionnant, qu’il soit ou non en mode supraconducteur, un autre indice possible de la façon dont les supraconducteurs non conventionnels transportent le courant électrique sans perte. – .
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Les électrons sont répulsifs. Rien de personnel, c’est juste que leurs charges négatives se repoussent. Donc, les amener à s’associer et à voyager ensemble, comme ils le font avec les matériaux supraconducteurs, demande un peu d’effort.

Dans les supraconducteurs de la vieille école, qui ont été découverts en 1911 et conduisent le courant électrique sans résistance mais uniquement à des températures extrêmement froides, l’entraînement provient des vibrations dans le réseau atomique du matériau.

Mais dans les nouveaux supraconducteurs “non conventionnels”, qui sont particulièrement excitants en raison de leur potentiel à fonctionner près de la température ambiante pour des choses comme la transmission de puissance sans perte, personne ne sait avec certitude quel est le coup de pied, bien que les chercheurs pensent qu’il pourrait impliquer des bandes d’énergie électrique. . charge, oscillation d’ondes de spin électronique créant des excitations magnétiques, ou une combinaison de choses.

Espérant en savoir plus en examinant le problème sous un angle légèrement différent, des chercheurs de l’Université de Stanford et du SLAC National Accelerator Laboratory du Department of Energy ont synthétisé une autre famille de supraconducteurs non conventionnels : les oxydes de nickel, ou nickelates. Depuis, trois années ont été consacrées à l’étude des propriétés du nickelage et à sa comparaison avec l’un des supraconducteurs non conventionnels les plus connus, les oxydes de cuivre ou les cuprates.

Et dans un article publié dans Physique naturelle Aujourd’hui, l’équipe a signalé une différence significative : contrairement aux cuprates, les champs magnétiques des nickelates sont toujours actifs.

Magnétisme : ami ou ennemi ?

Les placages au nickel, ont déclaré les scientifiques, sont intrinsèquement magnétiques, comme si chaque atome de nickel tenait un petit aimant. Cela est vrai que le nickelate soit dans son état normal, non supraconducteur, ou dans un état supraconducteur dans lequel les électrons se sont appariés et ont formé une sorte de soupe quantique qui peut héberger des phases intriquées de matière quantique. Les cuprates, en revanche, ne sont pas magnétiques dans leur état supraconducteur.

“Cette étude a examiné les propriétés fondamentales des nickelates par rapport aux cuprates, et ce que cela peut nous dire sur les supraconducteurs non conventionnels en général”, a déclaré Jennifer Fowlie, chercheuse postdoctorale au Stanford Institute for Materials and Energy Sciences ( SIMES) du SLAC qui effectué les expériences

Certains chercheurs pensent que le magnétisme et la supraconductivité sont en concurrence dans ce type de système, a-t-il déclaré. d’autres pensent que vous ne pouvez pas avoir de supraconductivité à moins que le magnétisme ne soit à proximité.

“Bien que nos résultats ne résolvent pas cette question, ils mettent en évidence les domaines où davantage de travail doit probablement être fait”, a déclaré Fowlie. “Et ils marquent la première fois que le magnétisme a été examiné à la fois dans l’état supraconducteur et dans l’état nickelé normal. »

Harold Hwang, professeur au SLAC et à Stanford et directeur du SIMES, a déclaré : « Il s’agit d’une autre pièce importante du puzzle que la communauté des chercheurs est en train de mettre en place alors que nous travaillons à définir les propriétés et les phénomènes au cœur de ces matériaux intéressants.

Entrez le muon

Peu de choses sont faciles dans ce domaine de recherche, et l’étude des nickelates a été plus difficile que la plupart.

Alors que les théoriciens avaient prédit il y a plus de 20 ans que leur similitude chimique avec les cuprates rendait probable qu’ils pouvaient abriter de la supraconductivité, les nickelates sont si difficiles à fabriquer qu’il a fallu des années de tests avant que l’équipe du SLAC et de Stanford n’échoue.

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Même alors, ils n’ont pu fabriquer que des films minces du matériau, pas les morceaux plus épais nécessaires pour explorer ses propriétés avec des techniques courantes. Divers groupes de recherche à travers le monde ont travaillé sur des moyens plus simples de synthétiser les nickelates sous toutes leurs formes, a déclaré Hwang.

L’équipe de recherche s’est donc tournée vers une méthode plus exotique, appelée relaxation de spin des muons à basse énergie, qui permet de mesurer les propriétés magnétiques des couches minces et n’est disponible qu’au Paul Scherrer Institute (PSI) en Suisse.

Les muons sont des particules chargées fondamentales similaires aux électrons, mais 207 fois plus massives. Il ne leur reste que 2,2 millionièmes de seconde avant de casser. Les muons chargés positivement, qui sont souvent préférés pour des expériences comme celles-ci, se désintègrent en un positron, un neutrino et un antineutrino. Comme leurs cousins ​​électroniques, ils tournent comme des toupies, changeant le sens de leur rotation en réponse aux champs magnétiques. Mais ils ne peuvent “sentir” ces champs que dans leur environnement immédiat, jusqu’à environ un nanomètre, ou un milliardième de mètre, de distance.

Au PSI, les scientifiques utilisent un faisceau de muons pour incorporer de minuscules particules dans le matériau qu’ils veulent étudier. Lorsque les muons se désintègrent, les positrons qu’ils produisent volent dans le sens de la rotation du muon. En retraçant les positrons jusqu’à leurs origines, les chercheurs peuvent voir dans quelle direction les muons pointaient lorsqu’ils ont disparu, et ainsi déterminer les propriétés magnétiques globales du matériau.

Trouver une solution

L’équipe du SLAC a demandé à expérimenter le système PSI en 2020, mais la pandémie a ensuite rendu impossible les déplacements à l’intérieur ou à l’extérieur de la Suisse. Heureusement, Fowlie était postdoc à l’Université de Genève à l’époque et prévoyait déjà de venir au SLAC pour travailler sur le groupe de Hwang. Il a donc lancé la première série d’expériences en Suisse avec une équipe dirigée par Andreas Suter, scientifique senior au PSI et expert dans l’extraction d’informations sur la supraconductivité et le magnétisme à partir des données de désintégration des muons.

Après son arrivée au SLAC en mai 2021, Fowlie a immédiatement commencé à fabriquer divers types de composés de nickelate que l’équipe souhaitait tester dans sa deuxième série d’expériences. Lorsque les restrictions de voyage ont pris fin, l’équipe a finalement pu retourner en Suisse pour terminer l’étude.

La configuration expérimentale unique du PSI permet aux scientifiques d’intégrer des muons à des profondeurs précises dans des matériaux de nickelage. À partir de là, ils ont pu déterminer ce qui se passait dans chaque couche ultrafine de divers composés de nickelage avec des compositions chimiques légèrement différentes. Ils ont découvert que seules les couches contenant des atomes de nickel étaient magnétiques.

L’intérêt pour le nickelage est très élevé dans le monde entier, a déclaré Hwang. Une demi-douzaine de groupes de recherche ont publié leurs propres méthodes de synthèse du nickelate et travaillent à améliorer la qualité des échantillons qu’ils étudient, et une multitude de théoriciens tentent de générer des idées pour orienter la recherche dans des directions productives.

“Nous essayons de faire ce que nous pouvons avec les ressources dont nous disposons en tant que communauté de recherche”, a-t-il déclaré, “mais nous pouvons encore apprendre et faire beaucoup plus.”

Le financement principal de ce travail est venu du DOE Office of Science et de l’initiative Emerging Phenomena in Quantum Systems de la Gordon and Betty Moore Foundation. Les travaux de Fowlie sont également soutenus par une bourse postdoctorale du Fonds national suisse de la recherche scientifique.

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