Représentation artistique des centres de lacunes d’azote dans une cellule à enclume en diamant, capable de détecter l’expulsion de champs magnétiques par un supraconducteur à haute pression. Crédit : Ella Marushchenko
Les scientifiques de Harvard ont réalisé des progrès significatifs dans la physique des hautes pressions en créant un outil qui image directement les matériaux supraconducteurs dans des conditions extrêmes, facilitant ainsi de nouvelles découvertes dans le domaine des hydrures supraconducteurs.
L’hydrogène (comme beaucoup d’entre nous) agit bizarrement sous pression. La théorie prédit que lorsqu’il est écrasé par le poids de plus d’un million de fois celui de notre atmosphère, cet élément léger, abondant et normalement gazeux, devient d’abord un métal et, plus étrange encore, un supraconducteur – un matériau qui conduit l’électricité sans résistance.
Les scientifiques étaient impatients de comprendre et éventuellement d’exploiter des composés supraconducteurs riches en hydrogène, appelés hydrures, pour des applications pratiques – des trains en lévitation aux détecteurs de particules. Mais étudier le comportement de ces matériaux et d’autres sous des pressions énormes et soutenues est tout sauf pratique, et mesurer avec précision ces comportements se situe entre le cauchemar et l’impossible.
Une avancée dans la mesure haute pression
Comme la calculatrice l’a fait pour l’arithmétique et ChatGPT pour rédiger des essais de cinq paragraphes, les chercheurs de Harvard pensent disposer d’un outil fondamental pour résoudre le problème épineux de la façon de mesurer et d’imager le comportement des supraconducteurs hydrures à haute pression. Publication dans Natureils rapportent avoir intégré de manière créative des capteurs quantiques dans un dispositif inducteur de pression standard, permettant des lectures directes des propriétés électriques et magnétiques du matériau sous pression.
L’innovation est le fruit d’une collaboration de longue date entre le professeur de physique Norman Yao ’09, Ph.D. ’14, et Christopher Laumann ’03, professeur à l’Université de Boston et ancien chercheur postdoctoral à Harvard, qui ont rompu avec leur formation de théoricien pour se consacrer aux considérations pratiques de la mesure des hautes pressions il y a plusieurs années.
Révolutionner la physique des hautes pressions
La méthode standard pour étudier les hydrures sous des pressions extrêmes consiste à utiliser un instrument appelé cellule à enclume en diamant, qui presse une petite quantité de matériau entre deux interfaces en diamant taille brillant. Pour détecter quand un échantillon a été suffisamment écrasé pour devenir supraconducteur, les physiciens recherchent généralement une double signature : une chute de la résistance électrique à zéro, ainsi que la répulsion de tout champ magnétique proche, également appelé effet Meissner (c’est pourquoi un supraconducteur en céramique , une fois refroidi avec de l’azote liquide, planera au-dessus d’un aimant).
Le problème réside dans la capture de ces détails. Afin d’appliquer la pression requise, l’échantillon doit être maintenu en place par un joint qui répartit uniformément l’écrasement, puis enfermé dans une chambre. Il est donc difficile de « voir » ce qui se passe à l’intérieur, de sorte que les physiciens ont dû utiliser des solutions de contournement impliquant plusieurs échantillons pour mesurer séparément différents effets.
« Le domaine des hydrures supraconducteurs a été un peu controversé, en partie parce que les techniques de mesure à haute pression sont très limitées », a déclaré Yao. « Le problème est qu’on ne peut pas simplement insérer un capteur ou une sonde à l’intérieur, car tout est fermé et à très haute pression. Cela rend extrêmement difficile l’accès aux informations locales depuis l’intérieur de la Chambre. En conséquence, personne n’a réellement observé les doubles signatures de la supraconductivité dans un seul échantillon.
Pour résoudre le problème, les chercheurs ont conçu et testé une mise à niveau intelligente : ils ont intégré une fine couche de capteurs, constitués de défauts naturels dans le réseau cristallin atomique du diamant, directement sur la surface de l’enclume de diamant. Ils ont utilisé ces capteurs quantiques efficaces, appelés centres de lacunes d’azote, pour imager les régions à l’intérieur de la chambre pendant que l’échantillon est sous pression et traverse le territoire supraconducteur. Pour prouver leur concept, ils ont travaillé avec de l’hydrure de cérium, un matériau connu pour devenir supraconducteur à environ un million d’atmosphères de pression, ou ce que les physiciens appellent le régime mégabar.
Le nouvel outil pourrait aider le domaine non seulement en permettant la découverte de nouveaux hydrures supraconducteurs, mais également en permettant un accès plus facile à ces caractéristiques convoitées des matériaux existants, pour une étude continue.
« Vous pouvez imaginer que parce que vous fabriquez maintenant quelque chose dans une cellule à enclume en diamant (à azote vacant), et que vous pouvez immédiatement voir que ‘cette zone est maintenant supraconductrice, cette zone ne l’est pas’, vous pourriez optimiser votre synthèse et proposer un moyen de produire de bien meilleurs échantillons », a déclaré Laumann.
Le ministère américain de l’Énergie a soutenu cette recherche.
