Image d’un cristal de miassite cultivé par Paul Canfield. Crédit : Laboratoire National d’Ames du Département de l’Énergie des États-Unis
Des scientifiques du Laboratoire National d’Ames ont découvert la miassite, un minéral naturel qui est un superconducteur non conventionnel, remettant en question les croyances précédentes et faisant avancer notre compréhension de la supraconductivité pour la technologie future.
Les scientifiques du Laboratoire National d’Ames ont identifié le premier superconducteur non conventionnel avec une composition chimique également présente dans la nature. La miassite est l’un des seuls quatre minéraux trouvés dans la nature qui agissent comme un superconducteur lorsqu’ils sont cultivés en laboratoire.
L’enquête de l’équipe sur la miassite a révélé qu’il s’agit d’un superconducteur non conventionnel aux propriétés similaires aux superconducteurs à haute température. Leurs découvertes approfondissent la compréhension des scientifiques de ce type de supraconductivité, ce qui pourrait conduire à une technologie superconductrice plus durable et économique à l’avenir.
Compréhension de la supraconductivité
La supraconductivité est lorsque un matériau peut conduire l’électricité sans perte d’énergie. Les superconducteurs ont des applications incluant les machines IRM médicales, les câbles d’alimentation et les ordinateurs quantiques. Les superconducteurs conventionnels sont bien compris mais ont des températures critiques basses. La température critique est la température la plus élevée à laquelle un matériau se comporte comme un superconducteur.
Dans les années 1980, les scientifiques ont découvert des superconducteurs non conventionnels, dont beaucoup ont des températures critiques beaucoup plus élevées. Selon Ruslan Prozorov, un scientifique du Laboratoire Ames, tous ces matériaux sont cultivés en laboratoire. Ce fait a conduit à la croyance générale que la supraconductivité non conventionnelle n’est pas un phénomène naturel.
Occurrence Naturelle
Prozorov a expliqué qu’il est difficile de trouver des superconducteurs dans la nature car la plupart des éléments et composés superconducteurs ont tendance à réagir avec d’autres éléments, comme l’oxygène. Il a déclaré que la miassite (Rh17S15) est un minéral intéressant pour plusieurs raisons, dont sa formule chimique complexe. « Intuitivement, vous pensez que c’est quelque chose qui est produit délibérément lors d’une recherche ciblée, et cela ne peut pas exister dans la nature », a déclaré Prozorov, « Mais il s’avère que si. »
Paul Canfield, professeur distingué de physique et d’astronomie à l’Université d’État de l’Iowa et scientifique au Laboratoire Ames, est un expert de la conception, de la découverte, de la croissance et de la caractérisation de nouveaux matériaux cristallins. Il a synthétisé des cristaux de miassite de haute qualité pour ce projet. « Bien que la miassite soit un minéral découvert près de la rivière Miass dans l’oblast de Tcheliabinsk, en Russie », a déclaré Canfield, « c’est un minéral rare qui ne se forme généralement pas en cristaux bien formés. »
La croissance des cristaux de miassite faisait partie d’un effort plus large pour découvrir des composés combinant des éléments de fusion très élevés (comme le Rh) et des éléments volatils (comme le S). « Contrairement à la nature des éléments purs, nous avons appris à utiliser des mélanges de ces éléments qui permettent la croissance à basse température de cristaux avec une pression de vapeur minimale », a déclaré Canfield. « C’est comme trouver un trou de pêche caché plein de gros poissons. Dans le système Rh-S, nous avons découvert trois nouveaux superconducteurs. Et, grâce aux mesures détaillées de Ruslan, nous avons découvert que la miassite est un superconducteur non conventionnel. »
Techniques Avancées et Résultats
Le groupe de Prozorov se spécialise dans les techniques avancées pour étudier les superconducteurs à basse température. Il a déclaré que le matériau devait être refroidi à 50 millikelvins, soit environ -460 degrés Fahrenheit.
L’équipe de Prozorov a utilisé trois tests différents pour déterminer la nature de la supraconductivité de la miassite. Le principal test s’appelle la « profondeur de pénétration de Londres ». Il détermine jusqu’où un faible champ magnétique peut pénétrer dans le volume du superconducteur à partir de la surface. Dans un superconducteur conventionnel, cette longueur est essentiellement constante à basse température. Cependant, dans les superconducteurs non conventionnels, elle varie linéairement avec la température. Ce test a montré que la miassite se comporte comme un superconducteur non conventionnel.
Un autre test que l’équipe a effectué était d’introduire des défauts dans le matériau. Prozorov a déclaré que ce test est une technique signature que son équipe emploie depuis une décennie. Il consiste à bombarder le matériau avec des électrons de haute énergie. Ce processus fait sortir les ions de leur position, créant ainsi des défauts dans la structure cristalline. Ce désordre peut provoquer des changements dans la température critique du matériau.
Les superconducteurs conventionnels ne sont pas sensibles au désordre non magnétique, donc ce test montrerait peu ou pas de changement dans la température critique. Les superconducteurs non conventionnels sont très sensibles au désordre, et l’introduction de défauts modifie ou supprime la température critique. Cela affecte également le champ magnétique critique du matériau. Dans la miassite, l’équipe a constaté que tant la température critique que le champ magnétique critique se comportaient comme prévu dans les superconducteurs non conventionnels.
L’étude des superconducteurs non conventionnels améliore la compréhension des scientifiques sur leur fonctionnement. Prozorov a expliqué que c’est important car, « Découvrir les mécanismes derrière la supraconductivité non conventionnelle est essentiel pour des applications économiquement viables des superconducteurs. »
Référence : « Supraconductivité nodale dans la miassite Rh17S15 » par Hyunsoo Kim, Makariy A. Tanatar, Marcin Kończykowski, Romain Grasset, Udhara S. Kaluarachchi, Serafim Teknowijoyo, Kyuil Cho, Aashish Sapkota, John M. Wilde, Matthew J. Krogstad, Sergey L. Bud’ko, Philip M. R. Brydon, Paul C. Canfield et Ruslan Prozorov, 17 février 2024, Communications Materials.
DOI : 10.1038/s43246-024-00456-w
Ce travail a été soutenu par le Bureau des sciences du Département de l’Énergie (Bureau des sciences fondamentales de l’énergie) et a utilisé les ressources de l’Établissement des utilisateurs de l’Office of Science du Département de l’Énergie des États-Unis.