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Fullerènes
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Fullerènes

Agrégats moléculaires

Parmi les différents nouveaux matériaux qui présentent une supraconductivité à haute température, les composés de fullerènes occupent une place remarquable. Les fullerènes sont des agrégats moléculaires de carbone de forme creuse dont la plus simple et la plus symétrique est la molécule de C60 formée en associant 20 hexagones et 12 pentagones, comme sur un ballon de football. Découverte en 1985 par Curl, Kroto et Smalley (Prix Nobel 1996), cette molécule de 0,7 nanomètres de diamètre a rapidement pu être produite en masse en vaporisant du graphite par un arc électrique. Isolées par chromatographie, ces molécules  précipitent en une phase solide formée de cubes où les fullerènes occupent les coins et les centre de face.

Fullerènes en cristal séparés par des atomes alcalins dans la structure de droite ; crédits : H. Alloul, LPS

Ce solide formé de molécules neutres est isolant, mais il est facile d’insérer des atomes dans les importants vides intermoléculaires.  Ainsi on peut constituer des solides AnC60 dans lesquels les n alcalins A s’ionisent et cèdent leurs électrons aux boules de C60. Celui formé de 3 alcalins pour un fullerène est supraconducteur. Par exemple, Rb3C60  a une température critique Tc de 27 K (-246°C).

En appliquant une forte pression au composé Cs3C60, la Tc peut même augmenter jusqu’à 40 K.
La structure moléculaire de ce composé lui confère des propriétés supraconductrices remarquables. Il semble acquis aujourd’hui que l’interaction responsable de l’appariement des électrons soit localisée sur la boule et fasse intervenir les modes propres de vibration de la boule. En d’autres termes on peut considérer que les paires d’électrons se constituent sur la boule en utilisant ses vibrations comme le modèle BCS et sautent de boule en boule. D’autre part la forte compressibilité de ces matériaux permet, en appliquant une pression qui réduit la distance entre fullerènes, d’augmenter le caractère métallique et d'augmenter la Tc. Le même effet est réalisé à pression ambiante en échangeant l’alcalin par un alcalin de plus faible rayon ionique (par exemple Rb par K).

Dans l’espoir d’augmenter Tc l’insertion du Cs, le plus gros des ions alcalins a été tentée, mais  il a fallu attendre 2008 pour réussir la synthèse de composés Cs3C60. La grosse surprise est que l’espacement entre C60 est alors tellement grand que cela piège les électrons sur les boules et les empêche de se délocaliser. Le composé Cs3C60 est donc isolant et magnétique à pression atmosphérique. Par contre sous pression élevée le composé devient métallique et supraconducteur avec une Tc maximale de 35 K (-238°C). 

Cette transition d’un isolant vers un métal (dite de Mott) rappelle ce qui se passe dans les cuprates, les pnictures, ou les composés de Fermions lourds. C’est ce qui a relancé l’activité de recherche sur ces composés alcalins de fullerènes tout récemment.

 

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