Un physicien utilise l’intuition et les superordinateurs pour identifier un nouveau supraconducteur à haute température

“En tant que théoriciens, nous échouons généralement à prédire de nouveaux supraconducteurs”, a-t-elle déclaré.

Pourtant, en 2021, elle a connu le point culminant de son début de carrière. En collaboration avec l’expérimentatrice Julia Mundy de l’Université de Harvard, elle a découvert un nouveau matériau supraconducteur – un nickelate à quintuple couche. Ils ont rapporté leurs découvertes dans Matériaux naturels en septembre 2021.

“Ce fut l’un des meilleurs moments de ma vie”, se souvient Botana. “Je revenais d’Espagne et j’ai reçu un message de ma collaboratrice Julia Mundy pendant mon escale. Quand j’ai vu la résistivité tomber à zéro, il n’y a rien de mieux que ça.”

Botana a été choisi comme boursier de recherche Sloan 2022. Ses recherches sont soutenues par un prix CAREER de la National Science Foundation (NSF).

« Le professeur Botana est l’un des théoriciens les plus influents dans le domaine de la supraconductivité non conventionnelle, en particulier dans les nickelates stratifiés qui ont reçu une attention considérable de la part des communautés de physique des matériaux et de la matière condensée », a déclaré Serdar Ogut, directeur de programme à la Division de la recherche sur les matériaux à la Fondation nationale des sciences. “Je m’attends à ce que ses études théoriques pionnières, en collaboration avec des expérimentateurs de premier plan aux États-Unis, continuent de repousser les limites, aboutissent à la découverte de nouveaux matériaux supraconducteurs et découvrent des mécanismes fondamentaux qui pourraient un jour ouvrir la voie à la supraconductivité à température ambiante. “

La supraconductivité est un phénomène qui se produit lorsque les électrons forment des paires plutôt que de voyager isolément, repoussant tout magnétisme et permettant aux électrons de voyager sans perdre d’énergie. Le développement de supraconducteurs à température ambiante permettrait une transmission d’électricité sans perte et des ordinateurs quantiques plus rapides et moins chers. L’étude de ces matériaux relève de la théorie de la matière condensée.

“Nous essayons de comprendre ce qu’on appelle les matériaux quantiques – des matériaux où tout ce que nous avons appris de classique dans nos études de premier cycle s’effondre et personne ne comprend pourquoi ils font les choses amusantes qu’ils font”, a plaisanté Botana.

Elle a commencé à étudier les nickelates, en grande partie, pour mieux comprendre les cuprates – des supraconducteurs à base d’oxyde de cuivre découverts pour la première fois en 1986. Trente ans plus tard, le mécanisme qui produit la supraconductivité dans ces matériaux est toujours vivement contesté.

Botana aborde le problème en examinant des matériaux qui ressemblent à des cuprates. “Le cuivre et le nickel sont côte à côte dans le tableau périodique”, a-t-elle déclaré. “C’était une chose évidente à faire, donc les gens regardaient depuis longtemps les nickelates sans succès.”

Mais ensuite, en 2019, une équipe de Stanford a découvert la supraconductivité dans un nickelate, bien qu’il ait été “dopé” ou modifié chimiquement pour améliorer ses caractéristiques électroniques. “Le matériel qu’ils ont trouvé en 2019 fait partie d’une famille plus large, c’est ce que nous voulons, car cela nous permet de mieux faire des comparaisons avec les cuprates”, a-t-elle déclaré.

La découverte de Botana en 2021 s’est appuyée sur cette base, en utilisant une forme de nickelate non dopé avec une structure en couches unique, carrée et plane. Elle a décidé d’étudier cette forme spécifique de nickelate – un nickelate de terre rare, à quintuple couche, plan carré – basée sur l’intuition.

“Ayant joué avec de nombreux matériaux différents pendant des années, c’est le type d’intuition que développent les personnes qui étudient la structure électronique”, a-t-elle déclaré. “J’ai vu cela au fil des ans avec mes mentors.”

L’identification d’une autre forme de nickelate supraconducteur permet aux chercheurs de démêler les similitudes et les différences entre les nickelates et entre les nickelates et les cuprates. Jusqu’à présent, plus les nickelates sont étudiés, plus ils ressemblent à des cuprates.

“Le diagramme de phase semble assez similaire. Le mécanisme d’appariement d’électrons semble être le même”, dit Botana, “mais c’est une question qui reste à régler.”

Les supraconducteurs conventionnels présentent un appariement d’ondes s – les électrons peuvent s’apparier dans n’importe quelle direction et peuvent s’asseoir les uns sur les autres, de sorte que l’onde est une sphère. Les nickelates, en revanche, affichent probablement un appariement d’ondes d, ce qui signifie que l’onde quantique en forme de nuage qui décrit les électrons appariés a la forme d’un trèfle à quatre feuilles. Une autre différence clé est la force avec laquelle l’oxygène et les métaux de transition se chevauchent dans ces matériaux. Les cuprates présentent un grand “super-échange” – le matériau échange des électrons dans les atomes de cuivre via une voie qui contient de l’oxygène, plutôt que directement.

“Nous pensons que cela peut être l’un des facteurs qui régit la supraconductivité et provoque la température critique inférieure des nickelates”, a-t-elle déclaré. “Nous pouvons chercher des moyens d’optimiser cette caractéristique.”

Botana et ses collègues Kwan-Woo Lee, Michael R. Norman, Victor Pardo, Warren E. Pickett ont décrit certaines de ces différences dans un article de synthèse pour Frontières en physique en février 2022.

Recherche des causes profondes de la supraconductivité

Écrire dans Examen physique X en mars 2022, Botana et des collaborateurs du Laboratoire national de Brookhaven et des Laboratoires nationaux d’Argonne ont approfondi le rôle des états d’oxygène dans le nickelate à faible valence, La4Ni3O8. À l’aide de méthodes informatiques et expérimentales, ils ont comparé le matériau à un cuprate prototype avec un remplissage électronique similaire. Le travail était unique en ce qu’il mesurait directement l’énergie des états hybrides Nickel-Oxygène.

Ils ont découvert que malgré la nécessité de plus d’énergie pour transférer les charges, les nickelates conservaient une capacité considérable de superéchange. Ils concluent que les «interactions de Coulomb» (l’attraction ou la répulsion de particules ou d’objets en raison de leur charge électrique) et les processus de transfert de charge doivent être pris en compte lors de l’interprétation des propriétés des nickelates.

Les phénomènes quantiques étudiés par Botana se produisent aux plus petites échelles connues et ne peuvent être sondés que de manière oblique par l’expérience physique (comme dans le Examen physique X papier). Botana utilise des simulations informatiques pour faire des prédictions, aider à interpréter des expériences et déduire le comportement et la dynamique de matériaux comme le nickelate à couches infinies.

Ses recherches utilisent la théorie fonctionnelle de la densité, ou DFT – un moyen de résoudre par ordinateur l’équation de Schrödinger qui décrit la fonction d’onde d’un système de mécanique quantique – ainsi qu’une ramification plus récente et plus précise connue sous le nom de théorie du champ moyen dynamique qui peut traiter des électrons fortement corrélés.

Pour mener ses recherches, Botana utilise le supercalculateur Stampede2 du Texas Advanced Computing Center (TACC) – le deuxième plus rapide de toutes les universités américaines – ainsi que des machines de l’Arizona State University. Même sur les supercalculateurs les plus rapides du monde, étudier les matériaux quantiques n’est pas une mince affaire.

“Si je vois un problème avec trop d’atomes, je dis:” Je ne peux pas étudier cela “”, a déclaré Botana. “Il y a vingt ans, quelques atomes ressemblaient peut-être trop.” Mais des superordinateurs plus puissants permettent aux physiciens d’étudier des systèmes plus grands et plus complexes – comme les nickelates – et d’ajouter des outils, comme la théorie dynamique du champ moyen, qui peuvent mieux capturer le comportement quantique.

Bien qu’il vive dans un âge d’or de la découverte, le domaine de la physique de la matière condensée n’a toujours pas la réputation qu’il mérite, dit Botana.

“Votre téléphone ou votre ordinateur ne serait pas possible sans la recherche en physique de la matière condensée – de l’écran à la batterie en passant par le petit appareil photo. Il est important que le public comprenne que même s’il s’agit de recherche fondamentale, et même si les chercheurs ne Je ne sais pas comment il sera utilisé plus tard, ce type de recherche sur les matériaux est essentiel.”