Service de Physique de l'Etat Condensé

28 novembre 2017
Des monocristaux supraconducteurs à température critique record (133K) à pression ambiante

Après 30 ans de recherche sur les supraconducteurs à haute Tc, beaucoup de questions subsistent, notamment concernant le mécanisme impliqué dans l'appariement des électrons, la température critique (Tc) élevée et sa dépendance au dopage, la relation entre la structure et les propriétés électroniques et l'effet de la pression sur la supraconductivité. Pourtant, cette compréhension est cruciale pour atteindre des valeurs Tc plus élevées qui permettraient le développement d'applications technologiques considérables. Les cuprates de mercure pourraient être de bons candidats pour relever ce défi. En effet, depuis leur découverte en 1993, ils affichent toujours la température critique la plus élevée à pression ambiante, 133 K (160 K sous 30 GPa) pour HgBa2Ca2Cu3O8+δ (Hg-1223). Malheureusement, très peu d'études ont été réalisées par manque de monocristaux, bien que les cuprates de mercure puissent être considérés comme des structures modèles pour comprendre les mécanismes des hautes Tc, du fait de leur symétrie tétragonale et de leurs valeurs de Tc records.

 

Dans cette perspective, le Laboratoire Nanomagnétisme et Oxydes (LNO), en collaboration avec le NIMBE pour l’étude structurale, a développé une procédure originale d’élaboration de monocristaux de très grande qualité de cuprates supraconducteurs de mercure HgBa2Ca2Cu3O8+δ  ainsi qu’une méthode de contrôle précis de leur teneur en oxygène, qui vont permettre de sonder, dans une large gamme de composition, le diagramme de phase de ces composés.

 

 

Une région à bas point de fusion dans un pseudo-ternaire de BaO-CaO-CuO a été déterminée et la croissance cristalline a été faite dans une masse fondue à partir d’un excès (ou flux) de BaO et CuO. Après un traitement thermique à haute température suivi d’un refroidissement lent en ampoule scellée sous vide, des cristaux plaquettaires submillimétriques de Hg1223 sont extraits mécaniquement du flux solidifié

 

 

 

 

Une procédure de recuits sous vide à basse température a permis d’obtenir les premiers cristaux à très faible dopage, élargissant ainsi la gamme de dopage accessible pour cette phase. La spectroscopie micro-Raman révèle pour la première fois les caractéristiques Raman spécifiques des composés Hg-1223 optimalement et sous-dopés et confirme l'efficacité de la procédure de recuit.

 

 

Ce travail est une avancée importante qui devrait permettre une compréhension plus approfondie du diagramme de phase des cuprates, en particulier la vraie nature de la mystérieuse phase de pseudogap et sa relation avec l'état supraconducteur. Plus généralement, cette technique de croissance en flux peut être appliquée à d'autres composés pour lesquels il n'existe pas de diagramme de phase et/ou la croissance à l'air est interdite en raison de composants volatils.

 

Références:

Crystal growth and characterization of the HgBa2Ca2Cu3O8+δ superconductors with the highest critical temperature at ambient pressure, Bastien Loret, Anne Forget, Jean-Baptiste Moussy, Sylvie Poissonnet, Patrick Bonnaillie, Gaston Collin, Pierre Thuéry, Alain Sacuto and Dorothée Colson, Inorganic Chemistry 56, 9396 (2017).

Unconventional High-Energy-State Contribution to the Cooper Pairing in the Underdoped Copper-Oxide Superconductor HgBa2Ca2Cu3O8+δ, B. Loret, S. Sakai, Y. Gallais, M. Cazayous, M.-A. Méasson, A. Forget, D. Colson, M. Civelli, A. Sacuto, Phys. Rev. Lett. 116, 197001 (2016).

 

Contact CEA : Dorothée Colson, SPEC/LNO (UMR 3680 CEA-CNRS), Pierre Thuéry, NIMBE/ LCMCE (UMR 3685 CEA-CNRS)

Collaboration :

  • NIMBE, CEA, CNRS, Université Paris-Saclay, Gif sur Yvette Cedex 91191, France
  • SRMP, DMN, CEA, Université Paris-Saclay, Gif sur Yvette Cedex 91191, France
  • Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques, 10, rue A. Domon et L. Duquet, PARIS Cedex 13 75205, France
 

Maj : 01/12/2017 (2810)

 

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