Synthèse et propriétés physiques de nouveaux supraconducteurs d'oxydes de Nickel – SUPERNICKEL

Les méthodes utilisées dans SUPERNICKEL ont été multiples. Des films minces de nombreuses compositions cationiques ont été déposés par ablation laser pulsée, puis réduits topotatiquement post synthèse. Des nickelates sous forme cristallines ou nanocristallines ont été synthétisés par des techniques haute pression. Chaque matériau obtenu a été systématiquement investigué du point de vue cristallo-chimique (DRX, TEM, analyses élémentaires, SIMS ...), pour certains par analyse de surface (AFM, KPFM), ainsi que du point de vue de ces propriétés physiques (résistivité, effet Hall, aimantation, chaleur spécifique..). Plusieurs collaborations ont eu lieu, notons par exemple le couplage important entre le développement du SIMS et les chimistes du consortium. Une interaction forte a également eu lieu autour des compétences en cristallographie, mesures de DRX en conditions extrêmes de pression sur monocristaux, et analyse des structures complexes. Les approches théoriques ont été efficaces et variées, allant de la DFT à la DMFT et montrant l'intérêt de ces approches complémentaires.

Les résultats en terme de synthèse ont été double. Nous n'avons malheureusement pas pu obtenir de films de nickelates en phase infinie présentant une supraconductivité homogène. Cependant, des études détaillées ont été réalisées sur les effets de désordre et d'inhomogénéités chimiques inhérentes à ce genre de matériaux oxydes. Nous avons montré l'impact des réductions posts synthèse sur plusieurs quantités physiques telles que l'effet Hall. Un effort de synthèse important a été effectué sur la synthèse volumique, avec l'obtention de nouvelles phases et de cristaux de qualité. L'absence de supraconductivité dans ces matériaux volumiques est en accord avec la littérature récente montrant que cette propriété dans les nickelates semble être limitée aux films très minces. Le projet a permis des progrès notables dans la technique SIMS avec la possibilité d'offrir des études quantitives d'éléments légers et de leur distribution. Des jolis résultats ont été obtenus à l'ESRF sur La4Ni3O10 en clarifiant les différentes instabilité structurales et les états d'ondes de densité de charges dont émerge la supraconductivité sous pression. Les modèles théoriques développés ont clarifié l'origine des instabilité structurales et électroniques de ces systèmes, fait émerger les paramètres importants à l'apparition de la supraconductivité dans ces nickelates comme la dimensionalité, mis en évidence quantitativement la possibilité d'un couplage phononique.

Ce projet a permis de renforcer et de lancer plusieurs collaborations d'intérêt au-delà du sujet même des nickelates supraconducteurs. Notons l'avancée importante de la méthodologie des méthodes d'analyse SIMS par le GEMAC qui est d'intérêt pour étudier d'autres oxydes. Les développements théoriques initiés dans le projet offrent également de nombreuses perspectives. Ils fournissent des voies expérimentales pour examiner la relation entre la topologie des bandes, le désordre et l’hybridation orbitale et ouvre vers un traitement DMFT complet. Les approches de type DFT ouvrent également la voie à une réexamen de la supraconductivité dans les supraconducteurs à base d'oxydes, où le rôle des spins locaux avait été négligé jusqu'alors. Les collaborations autour de la cristallographie et des propriétés physiques de matériaux supraconducteurs et/ou à onde de densité de charge tels que le nickelate tricouches La4Ni3O10 étudié dans ce projet vont se poursuivre, en particulier grâce à l'embauche au cnrs du post-doc Sitaram Ramakrishnan financé par cette ANR. Les synthèses de matériaux nickelates vont se poursuivre, en particulier les dérivées de phase RP en film mince. Les limitation techniques qui nous ont freiné dans la synthèse de films de stœchiométrie parfaitement contrôlée devraient être levées par l'obtention récent au CRISMAT d'un nouvel équipement d'ablation laser. Une approche originale de modification de la dimensionnalité des matériaux nickelates par implantation d'Hélium est également initiée.

La supraconductivité est un état quantique fascinant de la matière condensée. Son étude et sa compréhension ont toujours suscité un immense intérêt pour la physique fondamentale, mais également pour la science des matériaux. Son exploitation débouche sur des nombreuses applications technologiques: transport de courant sans perte, stockage d'énergie, calcul quantique ou capteurs avec une résolution sans précédent. En 1986, la découverte de la supraconductivité à haute Tc dans les cuprates a permis l'accélération d'énormes progrès, à la fois expérimentalement et théoriquement, dans plusieurs domaines de la physique de la matière condensée. Cependant, l'origine de la supraconductivité à haute Tc est encore un problème non résolu; Une des principales raisons est la complexité de la physique des cuprates issue des multiples interactions en compétitions (fluctuations magnétiques, fortes corrélations électroniques, couplage charge-réseau…) et ordres à proximité (onde de densité de charge, antiferromagnétisme, pseudo gap…). L'émergence de la supraconductivité dans les nickelates, «cousins» structurels et électroniques des cuprates, était très attendue, mais seulement reportée en 2018 dans les super-réseaux LaNiO3 / (La, Sr) MnO3 et en août 2019 dans des couches minces de la «Phase infinie» Nd0.8Sr0.2NiO2 / SrTiO3, en raison des processus chimiques intrinsèquement complexes pour stabiliser cette phase. Le projet SUPERNICKEL explorera les propriétés chimiques, structurales, physiques et électroniques des nouveaux nickelates supraconducteurs, en utilisant une approche transversale impliquant la synthèse de couche minces, super réseaux et de matériaux massifs, la cristallo-chimie du solide, une grande batterie de sondes macroscopiques et microscopiques expérimentales (magnéto-transport, Diffraction des rayons X, spectroscopie de photoémission, entre autres) et théorie. Nos objectifs sont de déterminer la nature et les symétries de l'état supraconducteur, l'origine de l'interaction formant les paires de Cooper, et de clarifier les similitudes et les différences entre les nickelates et les cuprates. Au cours des derniers mois, nous avons concentré nos efforts sur la maîtrise du protocole complexe permettant de stabiliser la phase de couches infinies et synthétiser le nickelate supraconducteur. Nous avons déjà obtenu des échantillons aux bonnes compositions nominales et proches de l'instabilité supraconductrice, et nous sommes confiants que très bientôt, après optimisation de leur synthèse, nous serons l'un des rares groupes au monde à disposer de nickelates supraconducteurs de bonne qualité. En parallèle, nous travaillerons sur d'autres phases de nickelate. La possibilité de synthétiser et d'étudier en profondeur, outre les couches minces et les super-réseaux, des phases volumiques de nickelates sera également une approche unique de SUPERNICKEL. Nous attendons de la comparaison film mince/matériau massif des informations essentielles et potentiellement uniques sur la spécificité de la forme film mince/substrat dans l'émergence de la supraconductivité. Notre stratégie multi-approches intègre la conception, l'élaboration, la caractérisation ccristallochimique détaillée, l'exploration des propriétés physiques et électroniques des états normal et supraconducteur et la modélisation théorique. Le consortium SUPERNICKEL couvre ainsi un large éventail de savoir-faire dans tous les domaines et techniques essentiels nécessaires pour s'attaquer à ce problème: chimie des oxydes pour la synthèse de couches massives et minces, cristallographie, corrélations fortes, magnéto-transport, structure électronique, magnétisme et supraconductivité. Nous espérons également qu'au-delà du consortium SUPERNICKEL, la dynamique de ce projet deviendra un pilier fort pour consolider et redynamiser la communauté française travaillant dans le domaine plus large des nouveaux supraconducteurs.