Une nouvelle clef en fer pour la supraconductivité à haute température

Publié par Adrien le 14/05/2022 à 09:00
Source: CEA IRIG
Des chercheurs de l'Irig réalisent des études de diffusion des neutrons sur le pnicture de fer-nickel-arsenic, un matériau supraconducteur à des températures moins basses que celles classiquement rencontrées. Ils sont parvenus à sonder ce composé à l'échelle atomique et leurs résultats pourraient favoriser la proposition d'un mécanisme commun à tous les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) supraconducteurs.

Dans un supraconducteur classique, comme dans certains métaux, le courant circule sans résistance à très basse température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) (< 20 K) grâce aux électrons qui forment des paires (dites paire de Cooper). Hélas, les conditions compliquées et donc coûteuses pour maintenir de telles températures extrêmes constituent un frein pour exploiter les avantages de la supraconductivité dans la vie courante.

Dans les années 1990, de nouveaux matériaux supra-conducteurs à plus haute température (jusque 135 K) ont été découverts. Dans ces composés, on suppose que les paires de Cooper sont formées grâce au magnétisme (Le magnétisme est un phénomène physique, par lequel se manifestent des forces...). Cependant le mécanisme exact n'est pas encore compris. Dernièrement, les composés à base de fer-nickel-arsenic, supraconducteurs vers 50 K, ont entrouvert des perspectives pour la compréhension de ce mécanisme. Cependant, les études fondamentales sur ces matériaux sont compliquées car peu de sondes peuvent voir les électrons porteurs de courant interagir avec les moments magnétiques des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...).

C'est dans ce contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le...) que des chercheurs de l'Irig [collaboration] réalisent des expériences sur le pnicture de fer-nickel-arsenic afin d'étudier la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...) des spins des électrons responsables de l'effet de supraconductivité (La supraconductivité (ou supraconduction) est un phénomène caractérisé par...). Ils ont ainsi sélectionné le CaK(Fe1-xNix)4As4, un nouveau matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) composé d'une couche d'arséniure de fer-nickel qui sépare alternativement une couche de calcium (Le calcium est un élément chimique, de symbole Ca et de numéro atomique 20.) et une couche de potassium (Le potassium est un élément chimique, de symbole K (latin : kalium, de...). La structure de ce composé est particulièrement intéressante car les atomes de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le...) forment des motifs carrés, avec les moments magnétiques des atomes de fer qui pointent vers leurs centres (Figure). Cet arrangement (La notion d'arrangement est utilisée en probabilités, et notamment pour les...) des moments magnétiques du fer joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les...) un rôle essentiel dans l'effet supraconducteur.

Grâce au flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) de neutrons générés par le Très Grand Instrument de l'Institut Laue Langevin (L'Institut Laue-Langevin (ILL), nommé ainsi en l'honneur des physiciens Max von Laue (physicien...), à Grenoble, et aux instruments que l'Irig exploite dans cet environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...), ces chercheurs sont parvenus à sonder le composé à l'échelle atomique. Ils ont ainsi pu mettre en évidence l'origine du couplage des spins des électrons avec les moments magnétiques des atomes de fer: le couplage provoque une agitation (L’agitation est l'opération qui consiste à mélanger une phase ou plusieurs...) des spins qui se mettent en paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts...) pour former l'état supraconducteur et qui s'orientent préférentiellement selon une direction perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en...) aux couches de fer-nickel-arsenic.

Ces expériences nouvelles confirment les théories pour interpréter le phénomène de supraconductivité: lorsque le matériau se refroidit jusqu'à la température critique (pour laquelle le matériau devient supraconducteur), les agitations des spins incitent les électrons itinérants à s'apparier ce qui favorise l'établissement de la supraconductivité. Ces résultats pourraient favoriser la proposition d'un mécanisme commun à tous les matériaux supraconducteurs.


Schéma du composé fer-nickel-arsenic.
Le réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) carré (Un carré est un polygone régulier à quatre côtés. Cela signifie que ses...) des atomes de fer (boules bleues) et leurs moments magnétiques (flèches rouges) forme des couches horizontales. Perpendiculairement, les agitations des spins des électrons (e-) accentuent leur formation par paires pour favoriser l'état supraconducteur à plus haute température.
Crédit: Huiqian Luo team/Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences.

Notes:
Pnicture: composé chimique formé avec un élément de la famille des pnictogènes, c'est-à-dire les atomes de la quinzième colonne du tableau (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :) de Mendeleïev (azote N, phosphore (Le phosphore est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole P et...) P, arsenic (L’arsenic est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole...) As, antimoine (L'antimoine est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole Sb...) Sb, bismuth (Le bismuth est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole Bi et...) Bi).
Moment magnétique, spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque...): degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines...) interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la...) de liberté des électrons et des atomes qui est à l'origine du magnétisme notamment. On les visualise par des flèches.

Collaboration:
Académie chinoise des sciences, Laboratoire Léon Brillouin (Léon Brillouin (né le 7 août 1889 à Sèvres - mort en 1969 à New York) était un physicien...).

Références:
Liu C, Bourges P, Sidis Y, Xie T, He G, Bourdarot F, Danilkin S, Ghosh H, Ghosh S, Ma X, Li S, Li Y and Luo H
Preferred spin excitations in the bilayer iron-based superconductor CaK(Fe0.96Ni0.04)4As4 with spin-vortex crystal order.
Physical Review Letters, 2022.
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