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Le mécanisme de la supraconductivité à température record confirmé par spectroscopie infrarouge

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L’absence de résistance électrique dans les matériaux supraconducteurs confère à ces derniers un énorme intérêt en termes d’applications, dans les domaines de l’énergie et des transports par exemple. Mais, jusqu’alors, chez les matériaux connus, les propriétés de supraconduction sont présentes uniquement à des températures extrêmement basses (inférieures à -135°C), incompatibles avec la mise en œuvre de ces applications potentielles. Récemment découvert, l’hydrure H3S est quant à lui supraconducteur dès -70°C. Les groupes du Pr. Timusk (Hamilton, Canada), du Pr. Eremets (Institut Max Planck, Allemagne) et de la ligne de lumière AILES ont étudié ce composé par spectroscopie infrarouge pour comprendre l’origine de sa supraconductivité à une telle température.

Leurs résultats sont publiés dans Nature Physics.

En science des matériaux, une attention particulière est portée aux matériaux supraconducteurs, caractérisés par deux effets principaux : l’expulsion du champ magnétique (effet Meissner) et l’absence de résistance électrique. Grâce à cette dernière caractéristique, les applications sont nombreuses, pour les domaines du transport et l’énergie notamment, et les éventuelles retombées sont donc colossales. Cependant, la supraconductivité est induite à basse, voire très basse température, ce qui limite considérablement les conditions pour son exploitation.

La quête de supraconducteurs à plus haute température s’est orientée rapidement vers l’hydrogène métallique, dont la transition supraconductrice est prédite à température ambiante. Cette étude s’est cependant heurtée à des barrières technologiques, ce qui a mené à l’investigation de composés  contenant de l’hydrogène, tels que les hydrures.

 

L’hydrure H3S, supraconducteur prometteur

C’est dans ce contexte qu’a eu lieu, en 2015, la découverte de la phase H3S supraconductrice à une température record de 200 Kelvins par le groupe du Pr. Eremets, du Max Planck Institute for Chemistry.  Cette équipe a montré qu’en comprimant du sulfure d'hydrogène H2S à 150 GigaPascals (plus de 6 ordres de grandeur fois la pression ambiante) au sein d’une cellule à enclumes de diamants, une nouvelle phase métallique se forme. La diffraction des rayons X a révélé qu’il s’agissait de H3S, un hydrure présentant une transition supraconductrice en dessous de 200 Kelvins (-70°C). Cependant, une caractérisation approfondie de ce composé et en particulier la détermination de l’échelle en énergie des charges impliquées restaient nécessaires pour comprendre le mécanisme à l’origine de cette supraconductivité à haute température.

Dans ce but, trois groupes (celui du Pr. Timusk, Hamilton, Canada, celui du Pr. Eremets et l’équipe de la ligne de lumière AILES) ont collaboré pour réaliser une étude optique par spectroscopie infrarouge sur ce composé. Compte tenu de la complexité de la mesure, de multiples problèmes ont dû être surmontés. Tout d’abord, le setup expérimental utilisé a dû combiner un contrôle de la température ainsi que celui de la pression. De plus, en lien avec l’utilisation d’une cellule à très haute pression (Fig. 1a-b), l’échantillon métallique formé est de l’ordre de 50 micromètres. Cela implique que l’étude spectroscopique par réflectivité devait être réalisée sur un échantillon de taille micrométrique (Fig. 1c-d). Pour finir, les signatures spectrales attendues représentant environ 3% de l’intensité mesurée, le système se devait par conséquent de présenter une stabilité de mesure suffisante. 

Figure 1 : (a)-(b) Vue schématique d’une cellule à enclumes de diamant. L’échantillon, en rouge, est placé entre les deux enclumes. Une couche isolante, en orange, assure la distribution homogène de la pression et isole électriquement les quatre électrodes, en noir, qui permettent de mesurer la résistivité électrique et donc de déterminer la température de transition. (c) Vue par caméra pendant les alignements optiques du faisceau sur la cellule. Le faisceau synchrotron, en rouge, est réfléchi sur l’échantillon de dimensions inférieures à 100 micromètres. La lumière d’une source extérieure, en jaune, permet la visualisation de la cellule pendant cet alignement. (d) Vue de la même cellule contenant l’échantillon sous microscope optique.

 

Spectroscopie IR par réflectivité, sous haute pression

Concernant l’étude optique, trois types de signatures spectroscopiques ont été détectés. La première correspond à la mesure du gap supraconducteur (Fig. 2a), soit la différence d’énergie entre l’état supraconducteur et l’état métallique. Dans le cadre de cette étude, l’énergie de ce gap a été déterminée à 73 meV, confirmant ainsi la validité de la théorie conventionnelle de la supraconductivité pour ce composé. Cette énergie située dans l’infrarouge lointain est ainsi un cas unique, l’ensemble des gaps supraconducteurs étaient en effet observés jusqu’à maintenant dans le domaine moins énergétique des THz. 

Figure 2 : (a) Rapport entre la réflectivité d’H3S à l’état supraconducteur et à l’état normal dans la gamme des infrarouges lointains, au sein de laquelle apparait le gap supraconducteur. (b) Rapport entre la réflectivité d’H3S et une référence dans la gamme des infrarouges moyens. Les phonons observés sur la courbe expérimentale, trait plein, sont en accord avec la simulation calculée pour une fréquence plasma de 2500 meV. (c) Rapport entre la réflectivité d’H3S à l’état supraconducteur et à l’état normal dans la gamme des infrarouges proches,  dans laquelle la réflectivité diminue lorsque la température diminue, contrairement aux métaux.

La seconde signature assimilée aux phonons d’H3S (Fig. 2b), c’est-à-dire à ses modes de vibration en phase, est observée dans le moyen infrarouge (~150 meV). Bien que ne fournissant pas d’information directe sur la supraconductivité, les phonons renseignent sur la structure du matériau. Pour H3S, il a été constaté que leur réponse est particulièrement intense, suggérant que les électrons apportent une contribution anormalement élevée à la vibration.

La dernière signature de la supraconductivité (Fig. 2c), dite excitation bosonique, est constituée par une large structure apparaissant dans la gamme spectrale du proche infrarouge. Dans ce domaine, la réflectivité d’un métal augmente lorsqu’il est refroidi; au contraire, s’il s’agit d’un supraconducteur, sa réflectivité diminue. C’est précisément ce qui est observé pour H3S, témoignant à nouveau de la supraconductivité et fournissant pour la première fois l’échelle en énergie dans cet état.

Malgré des conditions expérimentales très complexes, l’exploitation de la haute brillance du rayonnement synchrotron, combinée à un ensemble spectroscopique spécifique, a permis la mise en évidence de la haute énergie associée à la supraconductivité dans les hydrures. Cette étude a au final contribué à une meilleure compréhension du mécanisme à l’origine de ce phénomène.