Vers le contrôle sub-micrométrique de la supraconductivité dans les nickelates à couche infinie – OxyNicks

En 1986, la découverte de la supraconductivité à haute température dans les composés à base de cuprates a inauguré un tout nouveau domaine de recherche. Cette supraconductivité non conventionnelle reste inexpliquée et, pendant plus de trois décennies, les chercheurs ont cherché des analogues des cuprates. C'est finalement en 2019 qu'un groupe de l'université de Standford a rapporté la supraconductivité dans des composés de nickelates stratifiés dopés aux trous, avec une température critique d'environ 10-15 K. La phase supraconductrice présente la structure appelée à couches infinies (R1-x(Sr, Ca)xNiO2, R=Nd, Pr ou La, x=concentration de dopant), composée de plans bidimensionnels de NiO2 alternés avec des plans de terres rares (R). Cette phase est obtenue à partir de la phase pérovskite parentale (R1-x(Sr, Ca)xNiO3), après élimination sélective de tous les atomes d'oxygène sur les sites apicaux des octaèdres NiO6.
Comme pour les cuprates, cette remarquable découverte a lancé un nouveau domaine de recherche, dont les progrès sont aujourd'hui entravés par le grand défi que représente la synthèse de ces composés. Ainsi, en dehors de la synthèse difficile de films de phase pérovskite de haute qualité, l'obtention de la phase supraconductrice à couche infinie nécessite une réduction chimique topotactique complexe, qui a lieu à l'intérieur d'un tube sous vide en utilisant le CaH2 comme agent réducteur. Cette méthode est très peu pratique et sujette à des problèmes de reproductibilité et de mauvaise qualité des échantillons. En fin de compte, la résolution spatiale des régions supraconductrices ne sera jamais atteinte avec cette méthode, ce qui constitue un obstacle technologique majeur à l'utilisation des nickelates supraconducteurs dans les futurs nanodispositifs.
Le projet OxyNicks propose deux approches innovantes pour surmonter ces obstacles dans le domaine : i) Améliorer le contrôle et la reproductibilité du processus de réduction par le dépôt d’un métal réactif (Al, Y ou Gd) par pulvérisation cathodique. Le métal pompera l'oxygène de la phase pérovskite au cours d'une réaction redox, s'oxydera et transformera le film en une phase supraconductrice à couche infinie. Grâce à cette nouvelle méthode, nous utiliserons la spectroscopie photoélectronique à résolution angulaire (ARPES) pour visualiser la structure électronique des nickelates à couche infinie. Par ailleurs, nous effectuerons des mesures de magnéto-transport et de spectroscopie à effet tunnel afin d'explorer la physique inexplorée qui sous-tend la supraconductivité dans les nickelates, à peine explorée jusqu'à présent en raison des défis posés par la synthèse.
ii) Le contrôle électrique de la transformation topotactique dans les nickelates à l'échelle nanométrique grâce à la tension générée avec une pointe de microscopie à force atomique (AFM) polarisée. Le champ électrique créé par la pointe AFM réduira localement le nickelate de la phase pérovskite initiale à la phase supraconductrice à couche infinie. Cela nous donnera le contrôle sub-micrométrique nécessaire pour fabriquer les premiers prototypes de nanodispositifs utilisant des nickelates supraconducteurs, notamment des jonctions Josephson.
Par conséquent, le projet OxyNicks vise à contribuer activement à surmonter les principaux obstacles dans le domaine émergent des nickelates, en apportant de nouvelles connaissances sur la physique de ces composés et en permettant un contrôle à l'échelle nanométrique de la supraconductivité en vue de l'incorporation future de ces matériaux dans des nanodispositifs.