Supraconductivité, la température monte !
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La supraconductivité, ce sont des matériaux capables de conduire le courant électrique sans aucune résistance. Un phénomène quantique encore mystérieux et jusqu’ici cantonné aux trés basses températures, mais tout cela pourrait changer prochainement.
Imaginez un monde dans lequel le courant circulerait sans perte dans les lignes à haute tension, où nos appareils électriques et électroniques ne consommeraient que très peu d’énergie et où nous voyagerions à très grande vitesse dans des trains lévitant au-dessus des rails, à l’abri des frottements. Cette alléchante perspective pourrait bien un jour devenir réalité grâce à la supraconductivité.
Ce phénomène physique découvert il y a plus d’un siècle se manifeste dans certains matériaux par la disparition de toute résistance électrique – et donc de toute perte d’énergie. Cette propriété unique a déjà permis le développement d’applications majeures, comme l’imagerie par résonance magnétique (IRM) dans les hôpitaux ou encore les accélérateurs de particules pour la recherche en physique. Malheureusement, pour acquérir cette propriété extraordinaire, la plupart des matériaux supra-conducteurs mis au point jusqu’ici doivent être refroidis à des températures extrêmes, proches du zéro absolu (- 273,15 °C), en faisant appel à des systèmes de réfrigération chers et encombrants. Cela a limité jusqu’à aujourd’hui leur utilisation à quelques applications de niche.
Mais les chercheurs n’ont pas dit leur dernier mot : dans les laboratoires du monde entier, ils tentent d’élucider les mécanismes à l’origine de la supraconductivité, et conçoivent et étudient de près de nouveaux matériaux prometteurs. Avec en ligne de mire la découverte de supraconducteurs à température ambiante, qui ne nécessiteraient donc plus aucune réfrigération. La supraconductivité pourrait alors enfin révolutionner notre quotidien.
Du phénomène étrange observé…
C’est en 1911 que cet état de la matière est mis en évidence. En refroidissant du mercure à - 269 °C grâce à de l’hélium liquide, le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes découvre alors que la résistance électrique du métal devient nulle. Une caractéristique surprenante puisque dans les conditions normales, même les fils électriques les plus conducteurs qui soient perdent une partie de leur énergie sous forme de chaleur. Par la suite, de nombreux autres métaux (plomb, étain ou aluminium) et alliages métalliques supraconducteurs sont découverts – toujours à des températures frôlant le zéro absolu.
Il faudra attendre la fin des années 1950, plus précisément 1957, pour que le phénomène soit enfin expliqué par trois physiciens américains qui proposèrent la théorie BCS, initiales de leur nom respectif : John Bardeen, Leon Neil Cooper et John Robert Schrieffer.
La supraconductivité trouve en fait son origine dans le comportement des électrons qui composent les atomes et, pour la comprendre, il faut avoir recours à la physique quantique qui décrit la matière à cette échelle. « Il s’agit même d’une des rares manifestations à l’échelle macroscopique d’un effet de physique quantique », souligne Cyril Proust(1), du Laboratoire national des champs magnétiques intenses du CNRS.
Explication : à mesure que la température baisse dans le matériau, les mouvements des atomes se réduisent jusqu’à générer des vibrations particulières de la structure cristalline qui poussent les électrons à s’associer d’abord par paires, puis tous ensemble pour former une onde collective qui occupe tout le matériau.
… aux premiers succès
Plus rien ne perturbe alors le mouvement des électrons, d’où la disparition de la résistance électrique. Mais le phénomène s’évanouit à nouveau au-dessus d’une certaine température qualifiée de « critique », l’agitation thermique détruisant ce fragile équilibre. En plus de la disparition de la résistance électrique, les recherches révèlent au fil des ans une autre propriété étonnante : un supraconducteur expulse tout champ magnétique qu’on veut lui imposer. C’est l’effet Meissner, du nom de son découvreur. Grâce à ses deux propriétés remarquables, la supraconductivité ne tarde pas à trouver des applications. Il suffit en effet d’injecter du courant de forte intensité dans une bobine de fil supraconducteur pour qu’il génère un champ magnétique tout aussi important, sans risque de surchauffe. Ou encore qu’un aimant soit placé au-dessus d’un supraconducteur pour littéralement léviter.
Ces champs magnétiques intenses sont, entre autres, indispensables au fonctionnement des appareils d’IRM qui analysent les tissus des patients, de la spectroscopie par résonance magnétique utilisée par les scientifiques pour dévoiler la structure moléculaire d’un échantillon, des réacteurs expérimentaux de fusion nucléaire, comme Iter, actuellement en construction en France, et des accélérateurs de particules dans lesquels d’immenses aimants supraconducteurs dévient et focalisent les faisceaux de particules.
À ce titre, si le LHC du Cern, à Genève, utilisait des aimants conventionnels en cuivre, il ne mesurerait pas 27 kilomètres de circonférence mais 100, et il consommerait près de 25 fois plus d’énergie ! Autrement dit, il n’aurait pas pu voir le jour. Malgré ces premiers beaux succès, les scientifiques gardent les pieds sur terre. D’après la théorie BCS qui identifie clairement le mécanisme en jeu, ils savent en effet que pour devenir supraconducteur, un métal doit forcément être refroidi à très basse température. Très peu imaginent donc pouvoir mettre au jour une supraconductivité à une température plus élevée. Et encore moins à température ambiante !
Une découverte inopinée
Jusqu’à ce qu’une découverte vienne complètement changer la donne. En 1986, on identifie en effet de manière inattendue les premiers supraconducteurs dits à « haute température critique » – comprenez à des températures plus élevées que celles observées jusque-là. Ces matériaux de synthèse sont des cuprates, des composés à base d’oxyde de cuivre. Et le record de température de passage à la phase supraconductrice détenu par un cuprate (à base de mercure) est aujourd’hui de - 135 °C. Une température certes encore froide mais beaucoup plus facilement accessible grâce à l’azote liquide cette fois. Avec cette découverte, la communauté scientifique reprend espoir. Et si finalement la supraconductivité pouvait exister à température ambiante ?
Les chercheurs se mettent alors en quête de décrypter ce nouveau type de supraconductivité exhibée par les cuprates, l’idée étant ensuite de pouvoir l’améliorer et, pourquoi pas, de trouver des supra-conducteurs à température ambiante. « Les expériences ont montré assez vite qu’on avait affaire à une supraconductivité non conventionnelle : comme dans les métaux, c’est l’appariement des électrons qui conduit à l’apparition du phénomène mais contrairement à ce qui est décrit dans la théorie BCS, ce ne sont pas les vibrations des atomes qui constituent la colle entre les électrons », explique Cyril Proust.
Le mystère des cuprates
Percer la nature de cette mystérieuse colle devient alors l’objectif numéro un, la question constituant même l’un des principaux sujets de recherche en physique de la matière condensée. Et pour avancer, théoriciens et expérimentateurs travaillent main dans la main, améliorant considérablement les techniques de mesure des matériaux et inventant de nouveaux concepts théoriques et de nouvelles approches numériques pour les décrire. En trente ans, cette recherche a permis bon nombre d’avancées dans le domaine de la supraconductivité, et plus largement en physique.
« Mais force est de reconnaître que le mystère de la supraconductivité à haute température critique n’a toujours pas été résolu. Plusieurs explications sur son origine ont bien été avancées mais aucune ne fait aujourd’hui consensus », admet Alain Pautrat, du laboratoire de Cristallographie et sciences des matériaux(2). Si cette question reste encore ouverte, c’est parce que les cuprates sont des matériaux déroutants, à la physique complexe, même lorsqu’ils ne sont pas supraconducteurs. Initialement, un cuprate est un matériau totalement isolant. C’est en lui ajoutant ou en lui retirant des électrons par une modification chimique appelée « dopage » qu’il se transforme en un conducteur d’électricité puis en supraconducteur à plus basse température.
Effet de groupe
Contrairement à un métal où les électrons peuvent être considérés comme indépendants, dans un cuprate les électrons sont dits « fortement corrélés » : ils se gênent, se bloquent et ne se déplacent que collectivement, une situation qui rend leur description extrêmement difficile et qui fait que leur comportement nous échappe. Et pour venir compliquer encore plus les choses, les chercheurs savent aussi qu’à l’état isolant, un cuprate est un matériau magnétique. Si bien qu’aujourd’hui, deux scénarios dominent pour expliquer la supraconductivité de ces oxydes de cuivre.
Pour certains, ce serait ce même magnétisme – ou plutôt de petites fluctuations magnétiques qui resteraient à l’état de trace près de la température critique – qui fournirait la « colle » aux paires d’électrons. « De nombreuses observations le suggèrent fortement, même si aucune preuve directe n’a encore été apportée », confie Cyril Proust, partisan de cette théorie. D’autres mettent en avant le fait que, sous l’effet de ces fortes corrélations, les électrons s’organisent sous différentes configurations ou ordres tous plus exotiques les uns que les autres.
Ces différentes configurations pourraient entrer en compétition, avec pour conséquence l’apparition de la supraconductivité. « Les expériences ont permis de bien caractériser ces ordres électroniques, mais leur diversité fait qu’il est encore difficile d’établir un lien de cause à effet avec la supraconductivité », reconnaît Alain Pautrat.
Un défi expérimentalLes chercheurs sont donc toujours dans l’attente de l’expérience ultime qui viendra trancher le débat. De son côté, Cyril Proust compte bien apporter sa pierre à l’édifice, lui qui a déjà permis de faire progresser le domaine. Depuis 2003, il soumet des échantillons de cuprates à des impulsions magnétiques très intenses, capables de supprimer leur supra-conductivité. « Ce faisant, nous dévoilons les propriétés que le matériau aurait sans l’établissement d’une phase supraconductrice. Ainsi, nous avons pu mettre en évidence tous ces ordres électroniques en compétition », explique le chercheur.
Et pour aller plus loin encore, Cyril Proust et son équipe préparent leur prochaine expérience : il s’agira cette fois d’exposer des cuprates à des champs magnétiques encore jamais atteints, de 200 teslas (soit 2 000 fois plus puissant que l’aimant collé sur votre frigo), seule manière de détruire la supraconductivité là où la température critique est à son maximum et où le phénomène est le plus intense. « Le défi expérimental est de taille mais il constitue une des clés pour résoudre ce mystère », poursuit-il.
De nouvelles classes de matériaux
L’étude d’autres matériaux supraconducteurs à haute température critique pourrait elle aussi apporter son lot de découvertes. Car même si les cuprates font figure de stars en détenant les records de température, ils ne sont pas les seuls représentants de cette nouvelle classe de supraconducteurs. En 2008, on met ainsi en évidence la supraconductivité des pnictures, des composés à base de fer dont la température de transition vers la phase supraconductrice est de - 217 °C. Moins complexes à décrire que leurs cousins à base d’oxyde de cuivre, les pnictures ont révélé que, dans leur cas, c’est probablement le seul magnétisme qui permet aux charges électriques de former des paires. Plus récemment encore, en 2018, ce sont les nickelates, à base d’oxyde de nickel, qui sont venus s’ajouter à la liste, affichant une température critique de l’ordre de - 258 °C.
Pour ces composés structurellement très proches des cuprates, et dont on soupçonnait qu’ils puissent être supraconducteurs depuis une vingtaine d’années, il semblerait cette fois que le magnétisme ne joue pas de rôle dans l’apparition de la supraconductivité. De quoi donner du grain à moudre aux théoriciens. « Si l’on veut un jour comprendre la supraconductivité à haute température critique, il est primordial de comparer les différentes familles de matériaux. De cette manière seulement, on pourra acquérir une vision globale du phénomène et identifier les mécanismes les plus importants », insiste Marie-Aude Méasson, de l’Institut Néel du CNRS.
Hydrures : les nouveaux enfants prodiges
La maîtrise de la supraconductivité à haute température critique annonce une petite révolution pour les réseaux électriques et l’électronique. Mais il ne faut pas s’attendre à un bouleversement majeur tant qu’on ne saura pas se passer de dispositifs de refroidissement. La véritable révolution ne pourra se faire qu’à température ambiante. Heureusement, la supraconductivité n’est pas avare en rebondissement et si les cuprates n’ont toujours pas révélé leurs mystères, c’est désormais vers d’autres matériaux que tous les regards se tournent : les hydrures.
L’intérêt pour ces composés riches en hydrogène a été lancé en 2015 lorsqu’une équipe de chercheurs allemands montre que le sulfure d’hydrogène devient supraconducteur à - 70 °C, une température bien plus élevée que celle des cuprates. Néanmoins, le revers de la médaille, c’est que ce record s’établit à des pressions infernales : pour obtenir l’état supraconducteur, il faut en effet soumettre l’échantillon à une pression gigantesque de l’ordre de 2 millions de bars, soit 2 millions de fois celle de notre atmosphère ! Pour cela, les physiciens utilisent des cellules à enclumes de diamant – le matériau le plus dur qui soit.
La réalisation n’en est pas moins importante : elle vient confirmer pour la première fois une prédiction faite en 1969 à partir de la théorie BCS, qui identifiait l’hydrogène métallique – à très haute pression – comme candidat à une supraconductivité à une température critique très élevée. Et encourage du même coup d’autres groupes à suivre cette voie. Si bien que ces dernières années une dizaine d’hydrures ont été synthétisés.
Multiplication d’annonces et buzz médiatiques
Jusqu’à cette annonce exceptionnelle en mars dernier dans la revue Nature par une équipe américaine d’un composé fait d’hydrogène, de lutécium et d’azote, supraconducteur à 20,5 °C et à une pression de « seulement » 10 000 bars. Ce résultat a ébranlé la communauté scientifique : non seulement la température ambiante est atteinte mais la pression à appliquer est largement plus accessible – ces gammes de pressions étant couramment mises en œuvre dans certains procédés industriels. « Ces travaux sont les plus spectaculaires de ces vingt dernières années. En montrant que la température ambiante est un objectif atteignable, ils relancent totalement le domaine. Mais il faut tout de même rester prudent tant que le résultat n’aura pas été reproduit ni vérifié », commente Alain Pautrat.
Ainsi, soucieuses de ne pas crier victoire trop tôt, de nombreuses équipes de par le monde se sont immédiatement penchées sur ce nouveau matériau pour tenter de le synthétiser à leur tour et de confirmer le résultat. « À ce jour, aucun des groupes qui ont reproduit l’expérience n’a observé de phase supraconductrice. C’est d’autant plus troublant que les conditions de pression sont relativement simples à mettre en œuvre », note Marie-Aude Méasson. Ce qui met en doute la découverte. D’autant que des critiques se sont élevées dans la communauté scientifique pour pointer du doigt des erreurs et des manques dans la publication. En particulier, la structure cristallographique du composé qui définit la proportion et l’organisation tridimensionnelle des atomes n’est toujours pas clairement identifiée. À cela s’ajoute le fait que cette même équipe s’est vu retirer par Nature un autre article publié en 2020 et lui aussi controversé, qui annonçait la découverte d’un premier hydrure supraconducteur à 15 °C.
Devant tous ces éléments, certains scientifiques n’hésitent pas à parler de fraude. Le même buzz médiatique et finalement le même genre de critiques ont entaché l’annonce tonitruante cet été de la découverte des propriétés supraconductrices à température et pression ambiante du matériau LK99 (voir encadré).
Des défauts prometteurs
Pour trancher définitivement le débat, certains chercheurs proposent une mesure bien précise. C’est le cas de Jean-François Roch et de son équipe du laboratoire Lumière-matière aux interfaces(3). Le physicien exploite les propriétés quantiques des centres NV du diamant, des défauts ponctuels au sein du cristal qui se comportent comme des atomes artificiels et qui sont extrêmement sensibles aux champs magnétiques environnants. « L’idée est d’implanter ces centres NV sur la pointe des diamants qui composent les enclumes pour pouvoir mesurer l’effet Meissner dans le matériau, preuve directe de sa supraconductivité. Car jusqu’à présent, la mesure des propriétés magnétiques par des capteurs traditionnels s’est révélée extrêmement difficile dans de telles conditions de pression. Seuls les centres NV peuvent fournir une preuve de cet effet sans ambiguïté », explique Jean-François Roch. Avec son dispositif, il serait ainsi possible de vérifier la supraconductivité du dernier hydrure en date, au centre de toutes les polémiques. Et des autres hydrures également qui font actuellement l’objet d’âpres débats au sein de la communauté scientifique.
Mais au-delà des controverses, ces nouveaux composés représentent aujourd’hui un des meilleurs espoirs pour pouvoir atteindre la supraconductivité à température ambiante. Certes, les pressions dantesques nécessaires à l’apparition de la supraconductivité constituent encore un véritable obstacle à leur utilisation dans la vie de tous les jours. Mais pour certains, cet obstacle n’est pas insurmontable : de la même façon que le diamant qui, formé dans le manteau terrestre, conserve ses propriétés dans les conditions qui règnent en surface, il faudrait trouver des formes métastables d’hydrures, qui resteraient supraconducteurs quand on relâcherait la pression.
Les physiciens et les chimistes l’ont bien compris, eux qui travaillent main dans la main pour découvrir de nouveaux matériaux supraconducteurs par un savant mélange de théorie, de simulations numériques et en testant sans relâche de nouvelles combinaisons d’éléments. « En parallèle des efforts théoriques, la recherche en supraconductivité est souvent une affaire d’intuition, d’empirisme scientifique et de chance parfois. Tout comme la découverte des cuprates était inattendue, une surprise est toujours possible dans la quête du supraconducteur ultime », confie Alain Pautrat. La révolution est en marche.
LK99, un candidat éconduit
Après une première annonce en mars dernier dans la revue Nature par une équipe américaine d’un matériau à base d’hydrogène, supraconducteur à température ambiante et à une pression de 10 000 bars, c’est au tour d’une équipe coréenne d’annoncer en juillet la mise au point d’un matériau supraconducteur, à température et pression ambiantes cette fois. Ce composé baptisé LK-99 fait de groupements phosphates, de cuivre et de plomb, qui bat tous les records en matière de température et de pression, est donc potentiellement révolutionnaire. Mais tout comme les travaux des chercheurs américains, ce résultat doit être pris avec une extrême prudence. Non seulement il n’a toujours pas été publié dans une revue scientifique mais aucune des tentatives d’autres groupes pour le reproduire n’a confirmé une quelconque supraconductivité.
« Les courbes de caractérisations physiques sont peu convaincantes et ne ressemblent pas à celles caractéristiques d’un matériau supraconducteur. Pour moi, ce n’est pas prometteur », juge ainsi Alain Pautrat, du laboratoire Cristallographie et sciences des matériaux(4). Il ne faut donc pas crier victoire trop vite et il y a même fort à parier que ce résultat ne soit jamais confirmé. En effet, dans ce domaine où les enjeux économiques sont énormes, des annonces de supraconducteurs à température ambiante surviennent régulièrement, avant d’être démenties peu après. Sur la route vers le supraconducteur parfait, bien plus que le buzz, la patience et la véracité scientifique sont de mise.
- (1) Actuellement. détaché au laboratoire international Frontières Quantiques (CNRS/Université de Sherbrooke).
- (2) Unité CNRS/École nationale supérieure d’ingénieurs de Caen/Univ. de Caen Normandie.
- (3) Unité CNRS/Univ. Paris-Saclay/ENS Paris-Saclay/ CentraleSupélec.
- (4) Unité CNRS/École nationale supérieure d’ingénieurs de Caen/Univ. de Caen Normandie.
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C’est surtout la température des chercheurs qui monte, pour les matériaux, il ne suffit pas qu’ils soient supraconducteurs, il faut encore qu’ils soient faciles à transformer, résistants et pas impossibles à produire à l’échelle industrielle…
