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Un nouveau supraconducteur
Une nouvelle classe de supraconducteurs à haute température, découverte plus tôt cette année, se comporte très différemment des supraconducteurs cuivre-oxygène connus auparavant. Au lieu de cela, les nouveaux matériaux semblent suivre un mécanisme de supraconductivité que l'on ne trouvait auparavant que dans les matériaux supraconducteurs à très basse température, Chia Ling Chien et ses collègues de l'Université Johns Hopkins rapportent dans un rapport en ligne La nature papier.
Pas de résistance : Les nouveaux supraconducteurs contiennent des couches alternées d'arséniure de fer (orange et rouge) et d'oxydes de terres rares (bleu et gris) dopés au fluor (vert). Les composés d'arséniure de fer deviennent supraconducteurs à des températures relativement élevées de 55 K, et les chercheurs commencent maintenant à déchiffrer leur mécanisme supraconducteur.
Cet aperçu est une étape importante vers la compréhension du fonctionnement des supraconducteurs et pourrait aider les chercheurs à concevoir des matériaux encore meilleurs. Les supraconducteurs à haute température pourraient conduire à des appareils d'IRM moins chers ; câbles d'alimentation plus petits et plus légers; et des réseaux électriques beaucoup plus économes en énergie et sûrs. Les services publics, par exemple, pourraient utiliser des aimants supraconducteurs pour stocker l'énergie la nuit, puis l'utiliser aux heures de pointe le matin et le soir.
Les matériaux supraconducteurs conduisent le courant électrique sans aucune perte lorsqu'ils sont refroidis en dessous d'une certaine température, appelée température critique. Les alliages de niobium, utilisés pour fabriquer des aimants supraconducteurs pour les appareils d'IRM, ne sont supraconducteurs qu'en dessous de 10 K. Les composés cuivre-oxygène, ou cuprates, qui ont été découverts à la fin des années 1980, sont supraconducteurs à des températures beaucoup plus élevées de 90 à 138 K. À ces températures , l'azote liquide bon marché et facile à utiliser peut être utilisé comme réfrigérant. (Les cuprates ne sont pas utilisés pour les aimants IRM car il est difficile et coûteux d'en faire des fils.) Et certains fabricants fabriquent des câbles supraconducteurs refroidis à l'azote pour les lignes de transmission.
Mais les chercheurs ont longtemps essayé de trouver des matériaux avec des températures critiques encore plus élevées. Le Saint Graal fonctionne [les supraconducteurs] à température ambiante, selon un physicien Jeffrey Lynn , qui étudie les supraconducteurs au National Institute of Standards and Technology. Les câbles d'alimentation supraconducteurs, les appareils d'IRM et les dispositifs de stockage d'énergie seraient moins chers et plus petits s'ils n'avaient pas besoin de refroidissement.
Les nouveaux supraconducteurs à l'arséniure de fer ont montré un potentiel pour atteindre des températures critiques élevées. Des scientifiques de l'Institut de technologie de Tokyo ont rapporté pour la première fois dans un article de février Journal de l'American Chemical Society qu'un matériau d'arséniure de fer et de lanthane devient supraconducteur à 26 K. Depuis lors, les chercheurs chinois ont poussé la température critique jusqu'à 55 K. Ce n'est pas aussi élevé que les températures supraconductrices pour les cuprates, mais Chien de Johns Hopkins dit qu'il s'agit d'un nouveau matière à explorer, et on espère que nous obtiendrons des températures encore plus élevées.
La structure chimique du nouveau matériau le rend particulièrement excitant. Il contient des oxydes de métaux des terres rares pris en sandwich entre des couches d'arséniure de fer. La structure permet beaucoup de bricolage qui modifie les propriétés du matériau, dit Lynn. Les chercheurs peuvent, par exemple, remplacer le fer, l'arsenic ou les métaux des terres rares par d'autres éléments. En fait, des chercheurs chinois ont remplacé le lanthane dans le matériau japonais d'origine par d'autres métaux des terres rares, tels que le samarium, pour élever la température critique au-dessus de 50 K. Il existe de nombreux types de substitutions chimiques que vous pouvez essayer, dit Lynn. Ils sont en fait plus flexibles que les cuprates.
Les nouveaux supraconducteurs pourraient également avoir un autre avantage crucial, déclare David Christen, qui dirige la recherche sur les supraconducteurs au Oak Ridge National Laboratory. Alors que les câbles d'alimentation en cuprate doivent être fabriqués sous forme de rubans plats spécialement conçus, il pourrait être plus facile de fabriquer des fils à partir de semi-conducteurs à l'arséniure de fer. Ces matériaux pourraient être plus pratiques que les cuprates s'il s'avère qu'ils sont plus faciles et moins chers à fabriquer, dit Christen.
Les chercheurs espèrent également que les arséniures de fer aideront à percer le mystère du fonctionnement des supraconducteurs à haute température. Ce sera la clé pour concevoir des matériaux avec des températures critiques encore plus élevées. Dans les supraconducteurs qui fonctionnent à très basse température, comme le niobium et le plomb, les électrons forment des paires en dessous de la température critique. Les atomes ou les défauts du cristal n'ont pas l'énergie nécessaire pour rompre la paire et dévier les électrons. Ainsi, la paire d'électrons se faufile autour du matériau sans entrave, donnant lieu à la supraconductivité. Mais cette théorie d'appariement ne tient pas pour les matériaux cuivre-oxygène à haute température.
Dans leurs La nature papier, Chien et ses collègues montrent des preuves suggérant que la théorie de l'appariement pourrait être valable pour les supraconducteurs à l'arséniure de fer. L'appariement des électrons est l'âme du supraconducteur, dit Chien. Si les nouveaux matériaux suivent la théorie [de l'appariement], alors… nous pourrons comprendre les matériaux un peu plus facilement.
D'autres preuves issues d'expériences réalisées avec de nombreux composés d'arséniure de fer différents seront nécessaires pour confirmer le fonctionnement des supraconducteurs, selon Pengcheng Dai , professeur de physique à l'Université du Tennessee, à Knoxville. Le travail de Johns Hopkins n'est qu'une pièce du puzzle, dit-il. En effet, bien que le mécanisme d'appariement des arséniures de fer puisse être différent de celui des composés cuivre-oxygène, les deux matériaux présentent également des similitudes. Dans un récent article en ligne, également publié dans La nature , Dai et Lynn ont montré que les deux matériaux partagent des propriétés magnétiques clés. Et les deux matériaux ont également une structure en couches similaire.
Il est peut-être trop tôt pour dire à quel point les supraconducteurs à l'arséniure de fer seront utiles. Pour l'instant, Dai dit que les chercheurs sont ravis d'avoir rompu le monopole de 22 ans des cuprates et d'avoir un nouveau supraconducteur à haute température avec lequel jouer.