Une nouvelle technique permet de mesurer la supraconductivité à très haute pression

En 1911, Heike Kamerlingh Onnes a découvert le premier supraconducteur, le mercure métallique refroidi à une température critique de 4,2 Kelvin, où il conduit l’électricité sans résistance. Depuis, les scientifiques des matériaux cherchent à mieux comprendre le phénomène et à déterminer si d’autres éléments et matériaux ont des températures critiques plus élevées qui pourraient les rendre utiles pour le transport pratique de l’électricité, le Saint Graal étant la température ambiante.

De nombreux éléments chimiques deviennent supraconducteurs lorsqu’ils sont exposés à une pression élevée, en dessous d’une certaine température critique. Mais les détails sont difficiles à mesurer en raison de la nature même de la haute pression.

Mais une équipe de scientifiques d’Allemagne et des États-Unis a mis au point une technique permettant de mesurer le soufre supraconducteur, ce qui permet de mieux comprendre les mécanismes de nouveaux supraconducteurs à haute pression. Les travaux sont publiés dans la revue Lettres d’examen physiqueD’autres documents attendent d’être étudiés.

À des pressions supérieures à 90 milliards de pascals (un gigapascal (GPa), soit près d’un million de fois la pression atmosphérique à la surface de la Terre), l’élément soufre passe d’un état non métallique à un état métallique. Puis, à basse température, il devient supraconducteur. Dans l’étude actuelle, une pression de 160 GPa a été appliquée et, à 17 Kelvin, les électrons du soufre s’associent pour former ce que l’on appelle des paires de Cooper, et l’état supraconducteur persiste en dessous de cette température.

Pour obtenir des pressions d’environ 3 GPa, les scientifiques ont utilisé des pistons ou des cellules de pression à enclume de Bridgman. Les cellules de pression sont des capteurs qui convertissent la pression en signaux électriques mesurables. Elles ont la capacité d’appliquer une pression uniforme à un échantillon sur une large plage de pression.

L’échantillon est ensuite étudié avec une jonction tunnel plane chargée dans la cellule de pression, un dispositif électronique qui repose sur le tunneling mécanique quantique où une tension appliquée permet aux électrons de traverser une barrière isolante entre deux conducteurs.

Pour obtenir des pressions plus élevées, l’équipe de recherche a utilisé une cellule à enclume de diamant, une paire de pointes de diamant opposées entre lesquelles se trouve un échantillon. La cellule à enclume de diamant peut appliquer des pressions allant jusqu’à 200 GPa sur des échantillons de taille inférieure à un millimètre.

La forme de l’échantillon, c’est-à-dire les niveaux d’énergie des électrons de l’atome, est ensuite mesurée par spectroscopie à effet tunnel. Cependant, la pression extrême affecte les propriétés et l’intégrité de la barrière à effet tunnel dans la jonction tunnel plane, et le dispositif subit des courants de fuite et une réduction de la taille de la barrière d’énergie potentielle. Il est également difficile de l’appliquer à des échantillons de la taille d’un micromètre.

Pour remédier à ces déficiences, l’équipe de recherche a développé une méthode permettant de fabriquer une jonction tunnel plane in situ de la cellule à enclume de diamant, c’est-à-dire à l’endroit même où elle se trouve. Cela a permis de réaliser des mesures supérieures à 1 mégabar (100 GPa).

L’espace tunnel de la jonction tunnel planaire était constitué d’un matériau isolant, le pentoxyde de tantale, placé entre deux conducteurs (soufre supraconducteur et tantale) et mesurait environ 50 micromètres de diamètre dans chaque dimension. Le pentoxyde de tantale avait une densité et une stabilité élevées et garantissait que la largeur de l’espace tunnel ne changerait pas sous des pressions élevées.

« La pression permet à certains matériaux de présenter des propriétés exotiques qui n’existent pas dans des conditions atmosphériques, par exemple la supraconductivité des hydrures à une température proche de la température ambiante », explique Feng Du, de l’Institut Max Planck de chimie de Mayence, en Allemagne. « Ce que nous essayons de faire dans cet article, c’est de développer un “microscope” pour la supraconductivité dans un environnement sous pression. »

Leur objectif était de mesurer l’écart supraconducteur du soufre supraconducteur, également appelé énergie de clivage, qui était jusqu’à présent difficile à mesurer à haute pression. La taille et la symétrie de cet écart, qui est un écart énergétique dans la densité d’énergie de la paire de Cooper près de l’énergie de Fermi, l’énergie électronique occupée la plus élevée au zéro absolu, sont étroitement liées à la nature du mécanisme supraconducteur d’un matériau.

La fabrication in situ des jonctions tunnel planes directement sur la pointe de l’enclume en diamant a permis une extension des mesures de spectroscopie tunnel à des pressions au-delà de la gamme de 100 GPa.

La spectroscopie à effet tunnel utilise un microscope à effet tunnel pour examiner la densité locale des états électroniques et mesurer la bande interdite des surfaces à l’échelle atomique en mesurant les flux de courant entre la pointe de l’appareil lorsqu’il balaie l’échantillon.

Grâce à cet appareil, le groupe a mesuré et confirmé la température critique du soufre de 17 K, puis l’a abaissée à environ 3 K, et a déterminé que le soufre est un supraconducteur de type II.

Le groupe souhaite désormais appliquer son dispositif à d’autres matériaux. « Ce microscope peut nous aider à découvrir le « gène » des supraconducteurs à haute température et à haute pression », a déclaré Du, « ce qui pourrait potentiellement nous aider à concevoir à l’avenir le supraconducteur à température ambiante dans des conditions atmosphériques. »

Ils espèrent étudier des matériaux plus exotiques et moins connus, comme les hydrures et les nickelates.

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