Record mondial de supraconductivité à 15 °C
Des chercheurs américains ont réussi à transporter du courant sans perte à des températures positives lors d'une expérience en laboratoire. Mais des questions importantes concernant l'expérience de supraconductivité restent en suspens.
Une équipe de chercheurs dirigée par Ranga Dias de l'Université de Rochester, dans l'État de New York, a réussi ce tour de force. Il s'agit d'un résultat qui fera le tour du monde - et qui, selon les experts, constitue une étape symbolique importante. "Il est difficile d'en exagérer l'importance", déclare Alexander Goncharov de la Carnegie Institution for Science, qui n'a pas participé aux expériences. Sa collègue Lilia Boeri, de l'université La Sapienza de Rome, est elle aussi très enthousiaste : "C'est formidable."
Câbles électriques parfaits, trains flottants
Depuis plus d'un siècle, la supraconductivité est une promesse. Elle fait miroiter des câbles sans résistance électrique. Grâce à eux, l'électricité pourrait être transmise sur de longues distances sans pertes, et l'on pourrait également imaginer des puces électroniques plus économiques et des IRM plus petites. Et comme les supraconducteurs repoussent les champs magnétiques de l'intérieur, certains tramways céderaient sans doute la place à un Transrapid.
Malheureusement, la nature a jusqu'à présent réduit ces rêves à néant. La plupart des matériaux ne perdent leur résistance électrique que près du zéro absolu, à moins 273 degrés Celsius. Et même les supraconducteurs à "haute température", comme les cuprates contenant du cuivre, ont encore besoin d'azote liquide, à environ moins 200 degrés, comme réfrigérant - et sont en outre généralement très fragiles.
Mais grâce à une astuce, même des composés plus simples deviennent supraconducteurs à haute température : si l'on exerce une forte pression sur leur surface, leur réseau atomique se modifie. Les électrons peuvent ainsi communiquer via des oscillations ciblées du réseau. Ils s'associent ainsi en "paires de Cooper" qui se déplacent à travers le solide sans perte d'énergie - la supraconductivité "conventionnelle", longtemps connue uniquement des matériaux ultra-froids.
Une équipe de Mayence dirigée par Mikhail Eremets de l'Institut Max Planck de chimie a popularisé la branche de recherche de la supraconductivité à haute pression il y a cinq ans. Les scientifiques ont placé un minuscule échantillon de soufre et d'hydrogène (H3S) entre les pointes d'une presse à diamant. A 100 gigapascals, soit un million de fois la pression atmosphérique sur Terre, le composé est devenu supraconducteur, malgré une température de moins 70 degrés.
Le schéma de construction d'un supraconducteur
"C'était la véritable étape", explique Lilia Boeri. "Tout ce qui s'est passé depuis est une suite logique". En 2018, les chercheurs de Mayence ont immédiatement établi le record suivant. Selon eux, le composé métallique lanthane décahydride (LaH10) est lui aussi un conducteur parfait lorsqu'on le comprime à l'extrême. Et ce, à une température relativement chaude de 13 degrés en dessous de zéro.
Ce qui est remarquable dans les résultats de Mayence : Les théoriciens avaient calculé à l'avance que les composés devraient devenir supraconducteurs sous haute pression. Pour les supraconducteurs à haute température de la famille des cuprates ou les pnictides à base de fer, qui sont chimiquement compliqués, une telle prévision n'avait pratiquement jamais été possible.
Le secret de la supraconductivité
À température ambiante, les atomes s'agitent constamment. Les électrons qui se déplacent dans un solide sont donc constamment ralentis et perdent de l'énergie. Plus ils perdent d'élan, plus la résistance électrique d'un matériau est grande.
Ce n'est qu'aux alentours du zéro absolu (moins 273,15 degrés Celsius) que les réseaux atomiques se stabilisent. Les électrons de conduction peuvent ainsi facilement déformer leur environnement dans le solide. Des oscillations se propagent ainsi dans le réseau, ouvrant la voie à d'autres électrons. Selon la théorie BCS formulée en 1957, les porteurs de charge se regroupent en "paires de Cooper" qui peuvent traverser le solide sans résistance électrique.
Au niveau le plus bas de l'échelle de température, cela se produit naturellement pour de nombreux éléments du tableau périodique, comme le lithium ou le plomb. Mais en 1986, des physiciens ont découvert que la supraconductivité de certains composés chimiques persistait à des températures beaucoup plus élevées. Ces cuprates sont constitués d'une poignée de types d'atomes différents, dont les influences quantiques s'additionnent juste assez pour guider élégamment les électrons à travers le réseau.
Les mécanismes exacts de cette supraconductivité "non conventionnelle" restent cependant inconnus à ce jour ; les chercheurs pensent qu'il existe une interaction complexe entre la charge, le spin, le mouvement orbital et les oscillations du réseau. Ils cherchent donc des matériaux plus simples qui restent supraconducteurs à haute température. Depuis 2015, les experts utilisent de plus en plus des presses à diamant, qui compriment énormément les échantillons de matériaux contenant de l'hydrogène. Cela modifie les propriétés des réseaux atomiques - et conduit dans certains cas à la supraconductivité BCS classique, que l'on ne connaît normalement que dans les corps extrêmement froids.
C'est pourquoi les expériences de pressage du diamant ont immédiatement fait rêver de nombreux chercheurs au but ultime de leur discipline : un supraconducteur qui fonctionne encore à une température ambiante de 20 degrés Celsius. En effet, les théoriciens ont identifié, avec l'aide d'ordinateurs, toute une série de duos d'éléments dont la "température de saut" devrait être proche de cette limite symbolique. Plusieurs laboratoires répartis dans le monde entier s'emploient depuis à transformer ces prédictions en réalité.
Ranga Dias et son équipe semblent avoir réussi un double exploit. Non seulement leur record de 15 degrés tombe assez clairement dans le domaine de la température ambiante, défini de manière plutôt approximative par les physiciens. Avec leur mesure, les chercheurs américains sont également entrés dans le royaume des composés à trois éléments. Concrètement, ils ont mélangé du méthane (CH4) à leur récipient d'échantillonnage rempli de sulfure d'hydrogène - et ont ainsi dispersé un peu de carbone dans le mélange. En le comprimant dans la presse à diamant, le mélange gazeux s'est ensuite transformé en un métal supraconducteur.
"Au début, je ne croyais pas au résultat, mais maintenant nous en sommes sûrs", raconte Dias. Le jeune professeur assistant a finalement réalisé l'expérience plus de 30 fois, mesurant à chaque fois la résistance électrique et le sens magnétique de l'échantillon. Ce faisant, il voulait sans doute éviter qu'une expérience datant de 2017 ne se reproduise : à l'époque, avec son collègue plus âgé Isaac Silvera, il avait publié de manière un peu précipitée des indications sur une phase métallique d'hydrogène pur, qui serait en quelque sorte le supraconducteur multimatif. Mais à ce jour, les mesures de l'époque n'ont pas pu être reproduites, ce qui a valu à Dias et Silvera de nombreuses critiques.
La revue par les pairs en express
Cette fois-ci, les choses se présentent mieux à première vue, confirment tous les experts contactés par "Spektrum.de". En raison de la forte concurrence dans ce domaine, il a demandé à la revue spécialisée "Nature" une évaluation très rapide, raconte Dias. Il a soumis son manuscrit fin août. Six semaines seulement se sont ensuite écoulées jusqu'à la publication du travail - un délai exceptionnellement court.
"Il est difficile d'imaginer qu'un examen approfondi par les pairs a eu lieu pendant cette période", critique Graeme Ackland de l'université d'Edimbourg. Selon lui, si l'étude semble solide à première vue, certaines questions importantes restent sans réponse. Bernhard Keimer, directeur de l'Institut Max Planck pour la recherche sur les solides à Stuttgart, est du même avis. "On ne sait pas vraiment de quel type de matériau il s'agit", dit-il.
Aujourd'hui, on ne sait pas du tout quelle structure réticulaire forment les atomes de soufre, d'hydrogène et de carbone dans le minuscule récipient d'échantillons de Dias et de son équipe. Dans le cas du précédent détenteur du record, LaH10, les calculs ont montré que les atomes d'hydrogène forment une sorte de cage autour de l'atome étranger le plus lourd. Il en résulte un réseau symétrique qui ressemble à celui de l'hydrogène métallique.
Trois, c'est mieux que deux
En revanche, dans le cas du complexe d'atomes C, S et H de l'expérience de Dias, c'est plutôt autre chose qui devrait favoriser la supraconductivité : Il est possible que les trois éléments forment des liaisons "covalentes" extrêmement stables sous pression, ce qui rend le réseau atomique très rigide. Cela permettrait aux vibrations de se propager facilement dans le matériau, ce qui rassemblerait les électrons en paires de Cooper. C'est en tout cas ce qui se passe avec H3S, qui était sur le podium en 2015.
On ne sait pas si cela peut expliquer la supraconductivité du nouveau détenteur du record. Des mesures au cours desquelles les rayons X sont diffusés par l'échantillon auraient pu apporter des éclaircissements à ce sujet, explique Mikhail Eremets, un concurrent de Mayence. "C'est un mystère de savoir pourquoi l'équipe n'a pas publié de telles données"
Ranga Dias justifie cela par le fait que de telles mesures ne sont pas significatives pour les composés C-S-H et sont généralement surestimées dans les expériences de compression de diamant. Lui et son équipe affirment travailler sur une autre méthode de rayons X qui permettrait de tirer des conclusions sur la structure atomique de l'échantillon.
D'une manière ou d'une autre, les théoriciens devraient maintenant se mettre au travail. Au cours des prochains mois, ils feront passer différentes configurations de réseaux atomiques dans leurs ordinateurs pour voir laquelle reproduit les résultats de l'expérience de Rochester. "C'est la prochaine course", explique Lilia Boeri.
En route vers le prochain record
Elle pense que d'autres records en matière de supraconductivité à température ambiante vont se succéder au cours des prochaines années. En effet, les chercheurs n'en sont qu'à leurs débuts en ce qui concerne les composés d'hydrure de trois éléments. Au total, le tableau périodique offre 1770 combinaisons possibles
L'un d'entre eux, le NH3BH3, composé de bore, d'hydrogène et d'azote, pourrait par exemple encore être un supraconducteur à une température incroyable de 280 degrés Celsius. C'est du moins ce qu'a révélé une mesure, qu'un autre groupe américain affirme avoir réussi à réaliser au cours de l'été 2020. L'équipe ayant dû interrompre ses mesures en raison du blocage du Covid-19, le résultat est toutefois considéré comme provisoire. Du point de vue des experts, il montre toutefois le potentiel de ce champ de recherche.
D'une manière générale, les spécialistes espèrent que certains des composés à trois éléments se révèleront être des supraconducteurs à température ambiante plus faciles à entretenir, c'est-à-dire qu'ils conserveront leur propriété particulière même à basse pression. "Dans leur forme actuelle, serrés dans une presse à diamant, ces matériaux ne conviennent en tout cas pas à une quelconque application", déclare Bernhard Keimer.
C'est également ce qu'admet Ranga Dias. Il a néanmoins récemment créé une entreprise pour gagner de l'argent avec sa découverte. Il n'y a pas encore de business plan, dit-il. Mais cela pourrait changer si lui et son équipe continuaient à faire des expériences.
L'histoire de la supraconductivité est cependant une histoire d'espoirs déçus. Déjà lors de la découverte des cuprates à la fin des années 1980, certains chercheurs étaient convaincus que l'ère des tramways flottants était imminente. Au final, les choses se sont avérées bien plus compliquées que prévu.
Et c'est pourquoi de nombreux chercheurs sont plutôt sceptiques lorsqu'il s'agit d'un supraconducteur qui déploie sa magie même à température ambiante et sans pression extérieure supplémentaire. "Je pense que nous finirons par trouver un matériau qui s'utilise bien à pression normale et à moins 100 degrés", explique Lilia Boeri. Ce serait alors suffisant pour certaines applications spéciales - mais sans doute pas assez pour la grande révolution des matériaux.
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, via Wikimedia Commons
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