Un effet surprenant a été découvert à travers une étude collaborative par des chercheurs de Tu Wien et d'institutions en Croatie, en France, en Pologne, à Singapour, en Suisse et aux États-Unis lors de l'étude d'un matériau spécial: les atomes sont organisés de manière complètement désordonnée mais produisent un ordre magnétique.
L'étude est publiée dans la revue Matériaux fonctionnels avancés.
La supraconductivité est l'un des sujets centraux de la science des matériaux modernes: certains matériaux peuvent effectuer un courant électrique sans aucune résistance, du moins en dessous d'une certaine température. Cependant, comment produire des matériaux qui présentent encore cette propriété à des températures plus élevées restent un problème non résolu.
Maintenant, les chercheurs de Tu Wien ont découvert un lien surprenant entre deux classes de supraconducteurs en fait très différentes – les soi-disant « cuprates » et « pnictides »: le Murunskite matériel combine les propriétés des deux de manière inattendue.
Ce qui est étonnant, c'est que même si les atomes cruciaux de Murunskite sont disposés de manière complètement aléatoire et irrégulière, les propriétés magnétiques sont soigneusement commandées, même à des températures étonnamment élevées, et ressemblent à celles des pistolets de fer.
De manière analogue, dans les cuprates, un type particulier de métallicité – qui pourrait être associé uniquement à des systèmes exceptionnellement propres – égale malgré beaucoup de troubles locaux, ainsi qu'une supraconductivité à haute température. Les «coupables» dans les cupates et les murunskite sont des orbitales de ligand ouvertes.
Deux mondes – et un entre deux
Les matériaux qui présentent des propriétés supraconductrices même à des températures relativement élevées – connues comme des supraconducteurs à haute température – doivent normalement cette propriété à l'interaction physique quantique complexe entre différents types d'atomes. Il faut beaucoup d'efforts pour simuler les effets de ces matériaux sur un ordinateur et les comprendre théoriquement.
Cependant, au cours des dernières décennies, diverses classes de matériaux ont été trouvées qui se sont révélées prometteuses pour la recherche sur la supraconductivité, comme la classe de cuprates. Ce sont des composés céramiques qui contiennent des atomes de cuivre dans lesquels la supraconductivité émerge d'un état isolant lors du dopage avec des porteurs de charge. Une classe complètement différente de supraconducteurs est le pnictide – des matériaux métalliques avec des électrons mobiles.
Les chercheurs de Tu Wien ont maintenant examiné de plus près un autre matériau: Murunskite, un cristal composé de potassium, de fer, de cuivre et de soufre. Bien qu'il ne s'agisse pas d'un supraconducteur lui-même, il est étroitement lié aux matériaux supraconducteurs.
« Murunskite est, en un sens, le lien manquant entre ces deux classes de matériaux », explique le professeur Neven Barišić de l'Institut de physique solide de Tu Wien. « Il a une structure cristalline comme les pnidictides, mais des propriétés électroniques similaires aux cuprates. Ses propriétés magnétiques sont nouvelles et surprenantes, mais rappelant à la fois les cuprates et les pnictides. »
Trouble géométrique, ordre magnétique
Il existe de nombreux matériaux qui présentent des effets magnétiques. Cela signifie que les atomes s'alignent magnétiquement de la même manière, comme de nombreuses petites aiguilles de boussole pointant toutes dans la même direction. Normalement, les atomes doivent également être disposés géométriquement de manière régulière. C'est le moyen universellement accepté de s'assurer qu'ils s'influencent tous de la même manière, afin que l'ordre magnétique puisse se développer sur de longues distances.
Étonnamment, cependant, ce n'est pas le cas avec Murunskite. « Dans ce matériau, les atomes ne sont pas organisés régulièrement », explique Priyanka Reddy. « À certains moments du réseau cristallin, il peut y avoir un atome de cuivre ou un atome de fer. Les atomes de cuivre n'ont pas d'effet magnétique, mais les atomes de fer le font. »
Il n'y a pas de motif géométrique selon lequel les atomes de cuivre et de fer s'organisent; Ils sont complètement mélangés au hasard. Et pourtant, comme l'équipe de recherche a maintenant pu le montrer, l'ordre magnétique émerge à une température de moins 176 degrés Celsius (97k): les atomes de fer s'alignent magnétiquement dans les mêmes schémas, même s'ils sont à différentes distances les uns des autres.
« Dans ce cas, nous parlons d'ordre émergent », explique Davor Tolj.
« Même si les atomes ne suivent aucune règle géométrique, ils forment des grappes magnétiquement ordonnées – les îles commandées dans une mer d'atomes désordonnés qui, en un sens, s'accordent sur une direction magnétique commune. » Ces clusters se réseaunt avec d'autres grappes, de sorte que, malgré le manque d'ordre géométrique, un ordre magnétique émerge qui imprègne tout le cristal.
Le résultat montre que l'ordre magnétique ne doit pas nécessairement être basé sur un ordre atomique parfait. Cela ouvre de nouvelles voies dans la recherche sur les matériaux et les appareils, par rapport aux supraconducteurs et au-delà.
