Des physiciens américains et chinois ont mis au point une technique permettant de mesurer de manière fiable les propriétés magnétiques de matériaux soumis à de très hautes pressions. Leur méthode pourrait aider les chercheurs à découvrir des matériaux supraconducteurs à haute température et haute pression.

La supraconductivité à haute température a régulièrement fait la une des journaux au cours des deux dernières années – mais souvent pour de mauvaises raisons. Plusieurs allégations concernant des matériaux supraconducteurs à une température proche ou même supérieure à la température ambiante ont été contestés et certains ont été retirés.

Une partie du problème réside dans le fait que ces matériaux sont étudiés à des pressions très élevées dans des cellules à enclumes de diamant (DAC). Un DAC comprime un minuscule échantillon entre deux dents en diamant, ce qui rend très difficile l’observation des signatures caractéristiques de la supraconductivité. En effet, il est même délicat de connaître la structure atomique détaillée de tels échantillons.

En règle générale, les allégations de supraconductivité doivent être étayées par deux éléments de preuve. L’une est une chute brutale jusqu’à zéro de la résistivité du matériau lorsque la transition supraconductrice se produit. L’autre est l’effet Meissner, qui est l’expulsion d’un champ magnétique d’un matériau lorsqu’il entre dans l’état supraconducteur.

Un défi sous haute pression

Les observer simultanément à haute pression dans un DAC est un défi, explique Norman Yao de l'Université Harvard. « Comment insérer une sonde dans cette chambre à haute pression ? Vous n’y avez tout simplement pas accès. La résistivité de l'échantillon peut être mesurée en installant de minuscules câbles. Mais pour mesurer les effets magnétiques, les chercheurs entourent généralement l’ensemble du DAC d’une bobine d’induction solénoïde, qui donne simplement une moyenne pour l’ensemble de l’échantillon.

Le problème est particulièrement aigu pour des matériaux tels que les superhydrures de cérium et de lanthane, qui ont fait l'objet d'une grande partie de l'enthousiasme suscité par les supraconducteurs à température ambiante. Ils sont généralement fabriqués à l’aide d’un laser pour chauffer un flocon de métal en présence d’un composé riche en hydrogène. Mais il peut être difficile de savoir où, à haute pression, la phase hydrure souhaitée s’est formée et où elle ne s’est pas formée. Yao explique que c'est la raison pour laquelle les expériences expérimentales échouent le plus souvent, car il n'y a pas de région supraconductrice continue reliant une piste à une autre.

Si l’échantillon est très inhomogène, cela complique également l’interprétation des données de comportement magnétique moyenne collectées par une bobine d’induction. Ceci est particulièrement délicat car ces signaux sont généralement minuscules par rapport au champ de fond. En conséquence, les allégations de supraconductivité à haute pression sont souvent controversées.

Il y a trois ans, l'équipe de Yao et d'autres ont montré que les champs magnétiques locaux pouvaient être mesurés à haute résolution en utilisant les diamants DAC eux-mêmes. Cela se fait en utilisant défauts de réseau de lacunes d'azote (NV) dans les diamants. Dans ces défauts, deux atomes de carbone adjacents sont remplacés par un atome d’azote et un site vacant du réseau.

États de spin divisés

Chaque NV possède un spin quantique qui interagit avec les champs magnétiques. Cette interaction est observée à l’aide d’une technique appelée résonance magnétique détectée optiquement. Lorsque la lumière laser est dirigée vers un NV, elle provoque l’émission d’une lumière fluorescente. Si un signal micro-onde à une fréquence de résonance spécifique est également appliqué au NV, il met le spin dans un état spécifique, ce qui réduit la quantité de lumière fluorescente émise. Si un champ magnétique est également présent, les niveaux d’énergie de cet état de spin sont divisés. Cela signifie que la réduction de la fluorescence se produit à deux fréquences micro-ondes distinctes – et que la séparation entre ces fréquences est proportionnelle à l’intensité du champ magnétique.

En principe, cette technique pourrait être utilisée pour effectuer une magnétométrie à résolution spatiale sur un échantillon DAC en utilisant des centres NV implantés près de la pointe d'une dent en diamant. La fluorescence est créée en projetant un laser sur l’extrémité arrière d’un diamant.

"Un avantage inhérent de la technique NV est sa haute résolution spatiale dans la mesure de la perturbation du champ magnétique appliqué par la phase supraconductrice, par opposition à l'effet de moyenne des mesures sur l'ensemble de l'échantillon", explique l'expert en haute pression. Mikhaïl Eremets de l'Institut Max Planck de chimie à Mayence, en Allemagne. "Cela permet d'utiliser des échantillons beaucoup plus petits et d'atteindre des pressions plus élevées", ajoute Eremets, qui a travaillé sur la supraconductivité à haute température dans le superhydrure de lanthane sous pression.

Défauts déformés

Cependant, cette technique de magnétométrie présente un problème car la haute pression déforme les défauts NV d'une manière qui tue progressivement le signal de magnétométrie. Auparavant, la fluorescence de ces sites NV disparaissait autour de pressions de 50 à 90 GPa, ce qui est trop faible pour former les phases supraconductrices des superhydrures.

Yao et ses collègues ont maintenant trouvé une solution à ce problème de pression, simple en principe mais difficile à concevoir. Si la face supérieure de la dent en diamant est taillée selon une direction cristallographique particulière, les sites NV sont alignés dans cette direction. Le résultat de cette symétrie est que la pression n’affecte pas la fluorescence. Cela a permis à l’équipe de détecter la supraconductivité dans des régions spécifiques, aussi petites que quelques microns, d’un échantillon de superhydrure de cérium à une température d’environ 90 K et une pression de 140 GPa.

Selon les chercheurs, l’utilisation de cette orientation cristalline pourrait aider à résoudre les controverses passées et à en éviter de futures. Cela pourrait également aider les chercheurs à déterminer quelles conditions de synthèse d’échantillons fonctionnent le mieux. Auparavant, explique Yao, il était difficile de déterminer la nature exacte d’un échantillon. Mais maintenant, si le matériau cible présente une réponse magnétique telle qu’un effet Meissner, il devrait être possible de repérer exactement où il se trouve dans l’échantillon et ainsi de déduire l’efficacité des différentes stratégies de synthèse.

"Cette capacité d'imagerie de la technique sera particulièrement utile pour sur place caractérisation des inhomogénéités présentes dans ces supraconducteurs à haute température, y compris ceux qui sont stables près de la pression ambiante », explique le scientifique des matériaux Russel Hemley de l'Université de l'Illinois à Chicago, qui n'a pas participé aux travaux.

La recherche est décrite dans Nature.

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• La source: https://physicsworld.com/a/diamond-alignment-makes-high-pressure-magnetometry-of-superconductors-possible/