Un matériau d'électrode bidimensionnel constitue un supraconducteur prometteur – Physics World

Un matériau d'électrode bidimensionnel constitue un supraconducteur prometteur – Physics World

Horodatage: 18 octobre 2023 7h00

Schéma de AlH2
Dans une monocouche 2D d'hydrure d'aluminium (AlH2), les électrons anioniques en excès fournis par l'aluminium sont confinés dans les interstices du réseau d'aluminium. L'application d'une contrainte modifie cette configuration électronique et augmente la température critique pour la supraconductivité. (Avec l'aimable autorisation de Z Zhao)

Une nouvelle étude théorique apporte un nouvel éclairage sur la relation entre la supraconductivité et les électrons « en excès » dans les matériaux appelés électrides. L'étude, sur une monocouche d'hydrure d'aluminium, montre que ce matériau devrait être un supraconducteur classique avec une température de transition critique TC de 38 K – la température supraconductrice de transition la plus élevée connue parmi toutes les électrides bidimensionnelles signalées à ce jour.

Les électrodes sont un type de solide ionique exotique qui contient plus d'électrons que prévu par la théorie classique (liaison de valence). Ces électrons supplémentaires sont appelés électrons anioniques interstitiels (IAE) car ils ne sont liés à aucun atome. Au lieu de cela, ils sont piégés dans les vides du réseau cristallin du matériau.

La théorie suggère que la manipulation de ces IAE pourrait offrir une nouvelle voie pour moduler les propriétés électroniques d'un matériau. Une autre possibilité, encore plus alléchante, est que les IAE pourraient interagir plus fortement avec les vibrations du réseau cristallin (phonons) que ne le font les électrons « normaux », ce qui conduirait à la supraconductivité.

Cependant, la plupart des électrides supraconducteurs étudiés jusqu'à présent sont des matériaux tridimensionnels massifs, qui ne deviennent supraconducteurs qu'à des pressions très élevées (des centaines de gigapascals) ou à des températures très basses (inférieures à 10 K). Cela limite leurs applications dans des domaines tels que l’interférence quantique supraconductrice et les dispositifs à points quantiques supraconducteurs à électron unique.

De manière plus prometteuse, des chercheurs ont récemment découvert que les électrides bidimensionnels (2D) peuvent également se comporter comme des supraconducteurs – et ce également à des pressions normales. Malheureusement, les électrides 2D étudiées précédemment souffrent encore de très faibles Tcs.

Un nouveau matériau monocouche

Dans les derniers travaux, Ji Jun Zhao et collègues du Laboratoire clé de modification des matériaux par faisceaux laser, ioniques et électroniques au Université de Technologie de Dalian, la Chine a étudié une monocouche d'hydrure d'aluminium (AlH2) dans lequel les électrons anioniques en excès fournis par l'aluminium sont confinés dans les interstices du réseau d'aluminium. Ce matériau 2D est stable grâce aux interactions entre les IAE et le réseau.

À l’aide d’analyses de fonctions de localisation électronique, les chercheurs ont découvert que la liaison aluminium-hydrogène est ionique et que chaque atome d’hydrogène gagne environ 0.9 électron par atome d’aluminium, ce qui tend à perdre trois électrons de valence. Cependant, depuis le H- L'anion ne peut plus accueillir d'électrons, les électrons restants fournis par l'aluminium se retrouvent dans les interstices du réseau, ce qui entraîne un état d'électride de dimension zéro. D'autres calculs ont confirmé la présence des IAE et cet état d'électride.

T le plus élevéc pour tout élecride 2D connu

De manière inattendue, l'équipe de Dalian a également découvert que les IAE fournis par l'aluminium ne sont pas responsables de la supraconductivité du matériau. Selon Zhao, cela constitue « un autre point innovant de notre travail » et « contrairement à ce qui a été observé pour la plupart des électrides supraconducteurs connus auparavant ». Au lieu de cela, ce sont les atomes d'hydrogène 1s des électrons qui se couplent fortement aux vibrations phononiques de l'aluminium qui permettent au matériau de devenir un supraconducteur conventionnel (« BCS ») avec un Tc de 38 K.

Et ce n'est pas tout : les chercheurs ont également découvert qu'en appliquant une déformation biaxiale de 5 % à l'AlH2 peut augmenter cela Tc à 53 K. En effet, la souche convertit les IAE en électrons itinérants, ce qui favorise la formation des paires d'électrons de Cooper stables nécessaires à la supraconductivité, disent-ils.

"Notre étude théorique établit une image unifiée de la relation entre les IAE, la stabilité dynamique du réseau hôte et la supraconductivité dans l'AlH.2 monocouche », explique Xue Jiang, membre de l'équipe Monde de la physique. «Cela représente une étape importante vers la compréhension globale des électrides supraconducteurs 2D, qui à leur tour ouvrent de nouvelles voies vers de nouvelles classes d'électrides supraconducteurs de haute qualité.»Tc supraconducteurs de basse dimension.

L’équipe de l’Université de technologie de Dalian se concentre désormais sur une gamme plus large de matériaux de faible dimension dotés d’une supraconductivité ou d’autres propriétés électroniques exotiques.

Le travail est détaillé dans Lettres de physique chinoise.

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