Découvrir les origines de la supraconductivité hétérogène dans La3Ni2O7

Pourquoi de minuscules îlots de supraconductivité comptent

Les supraconducteurs — des matériaux qui transportent l’électricité sans résistance — promettent des lignes de transmission ultra-efficaces, des aimants puissants et des composants électroniques plus rapides. Une nouvelle classe basée sur le nickel, plutôt que sur le cuivre, a récemment surpris les chercheurs en montrant une activité à des températures inhabituellement élevées, mais uniquement lorsqu’on la comprime entre des enclumes de diamant à des pressions énormes. Cet article pose une question apparemment simple mais aux implications importantes : lorsque ces cristaux à base de nickel « deviennent supraconducteurs », y participe-t-on dans l’ensemble du matériau, ou seulement dans de petites régions ? Et qu’est‑ce qui contrôle précisément l’apparition et la disparition de la supraconductivité ?

Voir des courants cachés sous une pression écrasante

Pour répondre, les auteurs étudient un composé nommé La3Ni2O7, un oxyde de nickel en couches qui devient supraconducteur au‑dessus du point d’ébullition de l’azote liquide lorsqu’il est comprimé à plus de 100 000 fois la pression atmosphérique. Travailler dans de telles conditions extrêmes rend normalement l’imagerie détaillée impossible. Ici, l’équipe transforme la cellule à pression elle‑même en microscope en implantant une fine couche de détection constituée de défauts atomiques particuliers, appelés centres vacance‑azote, juste sous la surface d’une des enclumes de diamant. Ces capteurs quantiques émettent une fluorescence différente selon les champs magnétiques locaux et les contraintes internes, permettant aux chercheurs de prendre des « images » en champ large de la magnétisme et de la pression à une résolution sous‑micrométrique pendant que l’échantillon est comprimé.

Cartographier la supraconductivité parcellaire en espace réel

Lorsqu’un matériau devient supraconducteur, il expulse le champ magnétique de son intérieur — une signature connue sous le nom d’effet Meissner. En refroidissant La3Ni2O7, en appliquant un champ magnétique faible et en lisant les capteurs quantiques répartis sur la surface du diamant, les auteurs reconstruisent une carte détaillée du champ au‑dessus de l’échantillon. Les régions où le champ est atténué indiquent des îlots supraconducteurs ; les zones où il est renforcé tracent les endroits où les lignes de champ sont repoussées ou comprimées. Ces cartes montrent que la supraconductivité dans La3Ni2O7 est loin d’être homogène : au lieu que tout le cristal devienne supraconducteur d’un coup, seuls des poches irrégulières de l’ordre du micron le deviennent, avec des formes et emplacements qui évoluent lorsque la pression et la température changent. L’équipe observe aussi un flux magnétique piégé dans l’échantillon lorsqu’il est refroidi dans un champ, à nouveau localisé dans des régions qui coïncident avec la réponse supraconductrice la plus forte.

Comment la compression et la contrainte de cisaillement aident ou nuisent

Parce que ces mêmes défauts quantiques sont aussi sensibles à la déformation mécanique, les chercheurs peuvent reconstruire simultanément comment l’échantillon est comprimé. Ils distinguent la contrainte normale, qui appuie verticalement sur le cristal, de la contrainte de cisaillement, qui tend à faire glisser les couches les unes par rapport aux autres. En corrélant pixel par pixel le comportement magnétique avec ces deux composantes de contrainte, ils montrent que la supraconductivité apparaît d’abord dans des zones soumises à une contrainte normale supérieure à la moyenne, ce qui aide à expliquer pourquoi les mesures en volume détectent un seuil seulement sur une plage de pressions nominales. Plus surprenant, ils trouvent que lorsque la contrainte de cisaillement dépasse environ 2 gigapascals, la supraconductivité est fortement supprimée voire absente, même si la compression normale est par ailleurs favorable. Cela conduit à un diagramme de phases tridimensionnel raffiné dans lequel la température, la pression directe et le cisaillement latéral déterminent conjointement si une région microscopique donnée est supraconductrice.

Bandes chimiques et poches supraconductrices

L’équipe s’intéresse ensuite à des échantillons dont la composition chimique est volontairement moins uniforme. Dans un cristal, le rapport lanthane/nickel varie en larges bandes, mesuré par spectroscopie dispersive en énergie des rayons X. À l’échelle globale, cet échantillon n’affiche pas de chute nette de la résistance électrique, ce qui signalerait normalement la supraconductivité. Pourtant, les images magnétiques quantiques révèlent de petites poches nettes qui deviennent diamagnétiques à basse température. En superposant les cartes magnétiques et chimiques, les auteurs constatent que ces poches se situent précisément là où la composition locale est la plus proche du rapport idéal 3:2 lanthane/nickel. Les régions trop riches en nickel ou trop riches en lanthane ne deviennent pas du tout supraconductrices. Autrement dit, le matériau peut abriter des îles de supraconductivité trop rares pour dominer la résistance globale, mais clairement visibles dans des images magnétiques locales.

Transformer les imperfections en feuille de route

Pris dans leur ensemble, ces expériences montrent que la supraconductivité à haute température dans La3Ni2O7 sous pression est à la fois fragile et très sensible à son environnement microscopique. Des variations locales de pression, de cisaillement et de stoechiométrie morcellent le cristal en une mosaïque de zones supraconductrices et non supraconductrices, expliquant pourquoi les mesures globales observent souvent des signaux faibles ou « filamenteux ». En considérant cette inhomogénéité comme une caractéristique plutôt qu’un défaut, les auteurs utilisent un seul cristal pour cartographier comment différentes combinaisons de contrainte et de composition favorisent ou détruisent la supraconductivité. Pour un public non spécialiste, le message clé est que fabriquer de meilleurs supraconducteurs nickélates exigera non seulement la bonne pression moyenne ou la bonne chimie, mais aussi un contrôle précis de petites variations mécaniques et chimiques qui déterminent où, et avec quelle robustesse, les supercourants peuvent circuler.

Citation: Mandyam, S.V., Wang, E., Wang, Z. et al. Uncovering origins of heterogeneous superconductivity in La₃Ni₂O₇. Nature 651, 54–60 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-10095-x

Mots-clés: supraconducteurs nickélates, physique sous haute pression, détection quantique, ingénierie de contrainte, La3Ni2O7