Image d’un cristal de miassite cultivé par Paul Canfield. Crédit : Laboratoire national Ames du Département américain de l’énergie
Les scientifiques du laboratoire national Ames ont découvert la miassite, un minéral naturel qui est un supraconducteur non conventionnel, remettant en question les croyances antérieures et faisant progresser notre compréhension de la supraconductivité pour les technologies futures.
Les scientifiques du laboratoire national Ames ont identifié le premier supraconducteur non conventionnel dont la composition chimique est également présente dans la nature. La miassite est l’un des quatre minéraux présents dans la nature qui agissent comme supraconducteurs lorsqu’ils sont cultivés en laboratoire.
L’étude de l’équipe sur la miassite a révélé qu’il s’agit d’un supraconducteur non conventionnel doté de propriétés similaires à celles des supraconducteurs à haute température. Leurs découvertes approfondissent la compréhension des scientifiques sur ce type de supraconductivité, ce qui pourrait conduire à l’avenir à une technologie basée sur les supraconducteurs plus durable et plus économique.
Comprendre la supraconductivité
On parle de supraconductivité lorsqu’un matériau peut conduire l’électricité sans perte d’énergie. Les supraconducteurs ont des applications notamment dans les appareils d’IRM médicale, les câbles d’alimentation et les ordinateurs quantiques. Les supraconducteurs conventionnels sont bien connus mais ont de faibles températures critiques. La température critique est la température la plus élevée à laquelle un matériau agit comme supraconducteur.
Dans les années 1980, les scientifiques ont découvert des supraconducteurs non conventionnels, dont beaucoup ont des températures critiques beaucoup plus élevées. Selon Ruslan Prozorov, scientifique au Ames Lab, tous ces matériaux sont cultivés en laboratoire. Ce fait a conduit à la croyance générale selon laquelle la supraconductivité non conventionnelle n’est pas un phénomène naturel.
Présence naturelle
Prozorov a expliqué qu’il est difficile de trouver des supraconducteurs dans la nature car la plupart des éléments et composés supraconducteurs sont des métaux et ont tendance à réagir avec d’autres éléments, comme l’oxygène. Il a dit que le 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 c’est le cas. »
Paul Canfield, professeur émérite de physique et d’astronomie à l’Iowa State University et scientifique au Ames Lab, possède une expertise dans la conception, la découverte, la croissance et 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 Chelyabinsk, en Russie », a déclaré Canfield, « c’est un minéral rare qui ne pousse généralement pas aussi bien que des cristaux bien formés ».
La culture des cristaux de miassite faisait partie d’un effort plus vaste visant à découvrir des composés combinant des éléments à très haut point de fusion (comme le Rh) et des éléments volatils (comme le S). « Contrairement à la nature des éléments purs, nous maîtrisons l’utilisation de mélanges de ces éléments qui permettent la croissance de cristaux à basse température avec une pression de vapeur minimale », a déclaré Canfield. «C’est comme trouver un trou de pêche caché rempli de gros poissons gras. Dans le système Rh-S, nous avons découvert trois nouveaux supraconducteurs. Et grâce aux mesures détaillées de Ruslan, nous avons découvert que la miassite est un supraconducteur non conventionnel.
Techniques avancées et résultats
Le groupe de Prozorov est spécialisé dans les techniques avancées d’étude des supraconducteurs à basse température. Il a dit que le matériau devait être aussi froid que 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 test principal s’appelle la « profondeur de pénétration de Londres ». Il détermine jusqu’où un faible champ magnétique peut pénétrer dans la masse supraconductrice depuis la surface. Dans un supraconducteur conventionnel, cette longueur est fondamentalement constante à basse température. Cependant, dans les supraconducteurs non conventionnels, elle varie linéairement avec la température. Ce test a montré que la miassite se comporte comme un supraconducteur non conventionnel.
Un autre test effectué par l’équipe consistait à introduire des défauts dans le matériau. Prozorov a déclaré que ce test est une technique emblématique que son équipe a utilisée au cours de la dernière décennie. Il s’agit de bombarder le matériau avec des électrons de haute énergie. Ce processus élimine les ions de leur position, créant ainsi des défauts dans la structure cristalline. Ce désordre peut entraîner des modifications de la température critique du matériau.
Les supraconducteurs conventionnels ne sont pas sensibles aux désordres non magnétiques, ce test ne montrerait donc aucun ou très peu de changement dans la température critique. Les supraconducteurs non conventionnels ont une grande sensibilité au désordre et l’introduction de défauts modifie ou supprime la température critique. Cela affecte également le champ magnétique critique du matériau. Dans le miassite, l’équipe a découvert que la température critique et le champ magnétique critique se comportaient comme prévu dans les supraconducteurs non conventionnels.
L’étude des supraconducteurs non conventionnels améliore la compréhension des scientifiques sur leur fonctionnement. Prozorov a expliqué que cela est important car « la découverte des mécanismes à l’origine de la supraconductivité non conventionnelle est la clé des applications économiquement rationnelles des supraconducteurs. »
Ce travail a été soutenu par le Bureau des sciences du DOE (Office of Basic Energy Sciences) et a utilisé les ressources de Advanced Photon Source, une installation utilisateur du Bureau des sciences du Département américain de l’énergie (DOE).
