Des bandes plates dans les métaux Kagome pourraient révéler de futurs supraconducteurs

Nouveaux progrès dans les supraconducteurs Kagome

Les supraconducteurs sont des matériaux qui transportent l'électricité sans résistance, mais jusqu'à présent, ils ne fonctionnaient que dans des conditions extrêmes. Les métaux Kagome pourraient changer la donne.
Cela permet de motiver les lecteurs qui ne sont peut-être pas très doués en physique.

En novembre 2024, nous avons discuté d'un nouveau matériel pour de nouvelles théories magnétiques, développé par des chercheurs de l'Université Rice.

Cette découverte a été construite sur une publication de 2022, dans lequel les chercheurs ont découvert que «matériel de kagome, "un type de cristal métallique, présente propriétés magnétiques surprenantes.

Son nom vient du motif de tissage kagome utilisé dans l'artisanat traditionnel japonais, ou carrelage trihexagonal, avec des triangles superposés et de grands vides hexagonaux.

Source: researchgate

De la même manière, les matériaux kagome, comme par exemple les cristaux magnétiques de fer-germanium, sont organisés selon ce modèle au niveau atomique.

Un autre métal kagome à base de chrome, CsCr₃Sb₅ (césium-chrome-antimoine), semble avoir un potentiel énorme pour les futurs composants électroniques, notamment les supraconducteurs, les isolants topologiques et l'électronique à base de spin, selon le dernier article des chercheurs de l'Université Rice, publié dans Nature Communications.¹, sous le titre "Excitations de spin et bandes électroniques plates dans un supraconducteur kagome à base de Cr ».

Propriétés magnétiques et électroniques des matériaux Kagome

Déjà en 2022, des propriétés uniques du matériau kagome avaient été remarquées :

• Les effets magnétiques nécessitent que les électrons circulent autour des triangles de Kagome, à l'instar de la supraconductivité.
  • Bien que ces effets d'ondes magnétiques et de densité de charge ne relèvent pas de la supraconductivité au sens classique du terme, des chercheurs ont confirmé que de tels phénomènes dans les matériaux kagome peuvent persister même à température ambiante et dans des conditions de pression normales. Ils constituent donc un tremplin précieux vers la découverte de supraconducteurs à plus haute température.
• La présence d'un "onde de densité de charge« , où les électrons « fusionnent » les uns avec les autres dans une onde collective, transportant collectivement un courant électrique.
  • Contrairement à la supraconductivité « normale », celle-ci se présente sous forme de pics, comme de l’eau qui coule d’un robinet, plutôt que sous forme de flux continu d’électrons.
• Malgré l'affichage d'ondes de densité de charge, les matériaux kagome présentent également des propriétés magnétiques, qui sont généralement deux propriétés incompatibles.

Dans l’ensemble, la nature très organisée des matériaux kagome pourrait faciliter l’étude de phénomènes à la limite de notre compréhension de l’électromagnétisme, comme «supraconductivité non conventionnellenous »les fluctuations continuelles entre les états magnétiques dans les liquides de spin quantique ».

Fabrication d'un supraconducteur Kagome

Bande plate Electrons 

Électrons à bande plate sont des électrons dans un type spécial de bande d'énergie électronique qui a une énergie constante, ou une dispersion « plate », ce qui signifie que les électrons ont la même énergie cinétique quelle que soit leur impulsion.

D'un point de vue moins technique, cela signifie un état superdense, où les électrons peuvent se comporter comme des supraconducteurs, mais sans les conditions préalables habituelles à la supraconductivité (ultra-froid ou ultra-haute pression).

Jusqu'à présent, il était difficile de stabiliser les réseaux kagome pour amener les bandes plates au niveau d'énergie requis. Jusqu'à l'utilisation de CsCr₃Sb₅.

« Nos résultats confirment une prédiction théorique surprenante et établissent une voie pour l'ingénierie de la supraconductivité exotique par le biais du contrôle chimique et structurel. »

Pengcheng Dai - Département de physique et d'astronomie de Rice

Construire le bon cristal

CsCr₃Sb₅ cristallise naturellement dans un réseau hexagonal en couches.

Source: Communications Nature

Cependant, pour observer l’effet à grande échelle et disposer d’un matériau qui sera utile pour des applications commerciales ultérieures, un cristal beaucoup plus grand était nécessaire.

En perfectionnant leurs méthodes précédentes, les chercheurs ont réussi à produire des échantillons 100 fois plus grands que ce qui avait été réalisé auparavant.

Analyse ARPES et RIXS du supraconducteur Kagome CsCr₃Sb₅

Pour visualiser la structure électronique du CsCr3Sb5, les chercheurs ont utilisé une technique appelée ARPES (spectroscopie de photoémission à résolution angulaire). Cette technique permet de cartographier l'électron sous l'effet de la lumière générée par un accélérateur de particules (synchrotron).

Source: Communications Nature

Elle a révélé des signatures distinctes associées à des orbitales moléculaires compactes, signe de bandes plates électroniques, et a confirmé que toutes les géométries de polarisation contribuent à la formation de bandes plates.

« Les résultats ARPES et RIXS de notre équipe collaborative donnent une image cohérente selon laquelle les bandes plates ici ne sont pas des spectateurs passifs mais des participants actifs dans le façonnement du paysage magnétique et électronique.

Qimiao Si - Département de physique et d'astronomie de Rice

Ils ont ensuite utilisé la RIXS (diffusion inélastique résonante des rayons X) pour mesurer les états d'excitation magnétique.

Cela a également confirmé la présence de bandes plates, indépendamment des résultats de l'ARPES.

Source: Communications Nature

Effets de la température sur le potentiel de supraconductivité de Kagome

Les scientifiques ont ensuite vérifié l’effet de la variation de température sur les propriétés de ce nouveau matériau.

Contrairement à d’autres matériaux supraconducteurs potentiels, les propriétés étaient meilleures à 140°K (-133°C / -207°F) qu'à 10°K (-263°C / -441°F).

Source: Communications Nature

Dans l’ensemble, ces expériences ont non seulement permis d’identifier un nouveau matériau très prometteur, mais ont également démontré que la géométrie du réseau est directement liée aux états quantiques émergents.

« En identifiant les bandes plates actives, nous avons démontré un lien direct entre la géométrie du réseau et les états quantiques émergents »,

Ming Yi - Le riz Associé(e) Pprofesseur de Pphysique et Aastronomie.

Applications potentielles

La densité d’états des bandes plates se situe à des niveaux d’énergie proches d’un point critique quantique, permettant potentiellement la supraconductivité.

Il s’agit également d’une amélioration par rapport au réseau métallique kagome précédent, car les bandes plates kagome fournissent une densité d’états élevée sur une partie beaucoup plus grande du matériau.

CsCr3Sb5 supprime également l'onde de densité observée dans d'autres matériaux kagome, améliorant encore son potentiel de supraconductivité.

Un supraconducteur kagome à haute température ou à température ambiante serait révolutionnaire pour l'informatique quantique, les composants électroniques de spintronique (électronique à faible consommation d'énergie) et les matériaux topologiques (similaire au nouvel état de la matière développé par Microsoft (MSFT -2.55%) équipe d'informatique quantique).

Il pourrait également avoir un potentiel en tant que « simple » supraconducteur à haute température, qui pourrait être utilisé dans le maglev, la technologie militaire et la production d’énergie.

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Leaders en solutions de supraconductivité

Société américaine des supraconducteurs

AMSC est une entreprise qui fournit des solutions énergétiques pour le réseau électrique, les navires et l'énergie éolienne. En général, plus un système est gourmand en énergie ou massif, plus il nécessite une technologie supraconductrice pour éviter la surchauffe.

Malgré son nom, ASMC fournit non seulement des systèmes supraconducteurs, mais également, par exemple, des transmissions par engrenages pour les éoliennes.

L'entreprise s'appuie sur de multiples moteurs de croissance, allant de la tendance à l'électrification et à la numérisation (y compris les centres de données d'IA), mais aussi à la relocalisation des capacités de fabrication américaines et à la nécessité pour les marines de l'Anglosphère de se moderniser en réponse aux risques géopolitiques croissants.

Source: Société américaine des supraconducteurs

Dans le secteur de l'alimentation électrique, AMSC a enregistré une hausse constante des commandes. Cette hausse est due au fait que les usines de semi-conducteurs cherchent à se protéger des fluctuations du réseau électrique, à aider le réseau à faire face à la nature intermittente des énergies renouvelables et à l'alimentation et aux commandes des sites industriels.

Sur le segment des éoliennes, AMSC est principalement actif avec son système de contrôle électrique (ECS). Historiquement, l'ESC était un segment fort pour l'entreprise avec ses éoliennes de 2 MW, mais il a progressivement décliné. AMSC vise un rebond grâce à sa nouvelle conception d'éolienne de 3 MW, en ciblant particulièrement le marché indien.

Source: Société américaine des supraconducteurs

Pour les navires militaires, ASMC fournit le système de contre-mesure magnétique anti-mines supraconductrice à haute température d'AMSC, qui modifie la signature magnétique des navires afin de les protéger des mines marines. Ce système est vendu aux marines américaine, canadienne et britannique, pour un montant de 75 millions de dollars à ce jour.

Globalement, ASMC tire le meilleur parti de la technologie des supraconducteurs dans des applications de niche viables aujourd'hui, tout en étant probablement prête à déployer de nouvelles avancées à l'avenir. Les investisseurs doivent également noter que le titre a connu une volatilité extrême par le passé et qu'ils doivent évaluer les risques en conséquence.

Actualités et développements récents concernant l'action d'American Superconductor Corporation (AMSC)

Étude référencée

^{1. Wang, Z., Guo, Y., Huang, HY. et coll. Excitations de spin et bandes électroniques plates dans un supraconducteur kagome à base de Cr. Nature Communications 16, 7573 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62298-5}