Un nouveau supraconducteur à 45 Kelvin

La supraconductivité est une faculté qu’ont certains matériaux de transporter de l’électricité sans aucune résistance lorsqu’ils sont refroidis à des températures proches du zéro absolu. Comme le potentiel technologique d’un tel phénomène est énorme, des efforts croissants sont consacrés au développement de supraconducteurs performants dans un environnement plus chaud. Des nouvelles matières et manières de les synthétiser sont aujourd’hui explorées à travers le monde afin de saisir comment fonctionne la supraconductivité à température élevée. Or, un article de Physical Review B relate que des scientifiques de l’EPFL ont développé dans des conditions extrêmes (30’000 de pression atmosphérique et 1500^oC) une substance capable d’apporter des réponses à ce sujet.

Lorsqu’ils sont refroidis à des températures qui avoisinent le zéro absolu (0 K; -273.15^oC), certains matériaux deviennent supraconducteurs, c’est-à-dire qu’ils parviennent à conduire du courant sans aucune résistance, donc sans déperdition de chaleur. Une fois implémentée, la supraconductivité pourrait révolutionner notre façon d’utiliser et de distribuer l’énergie. Les températures très basses nécessaires à ces matériaux pour acquérir une telle faculté – dites températures critiques – posent toutefois des problèmes pratiques, d’où l’intérêt des supraconducteurs à température élevée (STE).

Depuis 2006, une grande partie de cet engouement pour la supraconductivité s’est focalisée sur un groupe de matériaux connus sous le nom d’oxypnictides. Ces derniers contiennent de l’oxygène, un pnictogène (souvent du phosphore et de l’arsenic) et un ou plusieurs autres éléments comme du fer et un lanthanide. Qui plus est, ces oxypnictides sont supraconducteurs jusqu’à 28 K (-245.15^oC).

Or, des chercheurs du Laboratoire de physique de la matière complexe de l’EPFL ont développé des oxypnictides dotés d’une nouvelle structure type, dont la température critique approche les 45K (-228.15^oC). En se basant sur les connaissances actuelles, l’auteur principal Sergiy Katrych, Janusz Karpinski et Andrea Pisoni ont en effet généré des cristaux simples d’oxypnictides supraconducteurs multicouches en utilisant une enclume cubique; cette technique nécessite notamment de soumettre un précurseur chimique à une pression très élevée afin d’obtenir la cristallisation requise.

Ces nouveaux oxypnictides supraconducteurs ont une formule générique de type L₄Fe₂As₂Te₁−_xO₄, où L peut être un lanthanide comme le praséodyme (Pr), le samarium (Sm) ou le gadolinium (Gd). La structure moléculaire exacte de ces nouveaux oxypnictides restait toutefois inconnue. Sachant que la supraconductivité d’un matériau dépend presque exclusivement de son architecture en 3D, cette lacune informative semblait limiter toute exploration additionnelle de ces STE pourtant prometteurs.

Afin de percer ce mystère, les auteurs ont alors effectué une étude systématique de la structure et des propriétés physiques de ces nouveaux supraconducteurs. Résultat, leur structure présente des blocs similaires à ceux d’un oxypnictide supraconducteur déjà connu. La température critique de chacun avoisine en outre les 25 K et ne semble pas dépendre du type de lanthanide utilisé.

En revanche, les scientifiques se sont aperçus que l’introduction de fluorine dans les oxypnictides de samarium et gadolinium (un procédé connu sous le nom de « dopage ») élevait leurs températures critiques jusqu’à respectivement 40 et 45 K. Cette découverte constitue un pas important vers la création de supraconducteurs présentant des températures de transition encore plus hautes. Les auteurs de cette étude se donnent désormais pour objectif de déterminer la température critique maximale de leur nouvelle matière, notamment en étudiant sa corrélation avec le dopage.

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Source
Katrych S, Pisoni A, Bosma S, Weyeneth S, Zhigadlo ND, Gaal R, Karpinski J, Forró L., L4Fe2As2Te1−xO4−yFy (L = Pr, Sm, Gd): A layered oxypnictide superconductor with Tc up to 45 K. Phys. Rev. B 89, 024518. DOI: 10.1103/PhysRevB.89.024518 (2014).