Comment les supraconducteurs à température ambiante changeraient-ils la science ?

La vague d’enthousiasme provoquée par le LK-99 – le cristal violet qui allait changer le monde – s’est maintenant apaisée après que des études ont montré qu’il ne s’agissait pas d’un supraconducteur. Mais une question demeure : un véritable supraconducteur à température ambiante serait-il révolutionnaire ?

La réponse est que cela dépend de l’application et de la question de savoir si le matériau hypothétique possède également d’autres qualités cruciales. Mais au moins dans certains domaines scientifiques, en particulier ceux qui utilisent des champs magnétiques puissants, de meilleurs supraconducteurs auraient probablement un impact énorme.

Les supraconducteurs sont des matériaux qui, à une certaine température, commencent à transporter des courants électriques sans résistance – et donc sans produire de chaleur perdue. Mais tous les supraconducteurs confirmés présentent cette propriété uniquement à basse température ou sous des pressions extrêmes, ou les deux. Certains scientifiques recherchent des matériaux dans lesquels la transition vers la supraconductivité se produit dans des conditions normales, à température et pression ambiantes.

Bien que les exigences de basse température des supraconducteurs actuels limitent considérablement leur utilisation dans les applications quotidiennes, ces matériaux sont devenus omniprésents en laboratoire, où les chercheurs peuvent utiliser toute une gamme de techniques pour abaisser leurs températures. C’est faisable, mais cela ajoute souvent du coût et de la complexité à une expérience.

Un exemple extrême est le Grand collisionneur de hadrons (LHC), l’accélérateur du CERN, le laboratoire européen de physique des particules près de Genève, en Suisse. Pour maintenir les protons en mouvement dans un cercle de 27 kilomètres, le LHC génère de puissants champs magnétiques avec des bobines supraconductrices maintenues à une température de seulement 1,9 kelvin (–271,25 ºC). Cela nécessite un système cryogénique contenant 96 tonnes d’hélium liquide, le plus grand du genre au monde. « Si l’on n’avait pas besoin de températures extrêmes, l’ingénierie serait simplifiée », explique Luca Bottura, ingénieur nucléaire et chercheur en aimants au CERN.

Il va donc de soi qu’un supraconducteur fonctionnant à température ambiante, ou à une température proche, révolutionnerait rapidement de nombreux domaines scientifiques, n’est-ce pas ? Pas si vite.

Questions quantiques

Prenez les ordinateurs quantiques, la technologie naissante qui promet de résoudre certaines tâches hors de portée des ordinateurs classiques. L’une des principales approches pour construire des ordinateurs quantiques consiste à stocker les informations dans des boucles de matériau supraconducteur. Ceux-ci sont refroidis à un niveau proche du zéro absolu (−273,15 ºC) dans des appareils coûteux ressemblant à des poupées russes, appelés réfrigérateurs à dilution.

Dans un ordinateur quantique à base de supraconducteurs, les performances se dégradent rapidement lorsque la température augmente, même d’une fraction de degré, pour des raisons qui n’ont rien à voir avec la supraconductivité. Les calculs quantiques sont extrêmement sensibles à tout type de bruit, et les vibrations thermiques sont un ennemi majeur, produisant de fausses « quasi-particules », explique Yasunobu Nakamura, co-inventeur de l’informatique quantique supraconductrice. “À environ 100-150 millikelvins, nous commençons déjà à constater l’effet adverse des quasiparticules excitées thermiquement”, explique Nakamura, physicien au RIKEN à Wako, au Japon.

Dans d’autres cas, l’expérience elle-même pourrait ne pas nécessiter un froid extrême, mais le supraconducteur pourrait tout de même devoir être maintenu beaucoup plus froid que la température à laquelle il passe à la supraconductivité, connue sous le nom de T_c. Les propriétés physiques des supraconducteurs varient et dans de nombreuses applications, en particulier pour les aimants à champ élevé, deux autres propriétés sont cruciales. C’est ce qu’on appelle le courant critique et le champ magnétique critique. La supraconductivité est perdue non seulement lorsque les températures augmentent, mais également lorsqu’un matériau est poussé pour transporter plus d’une certaine quantité de courant ou exposé à un champ magnétique suffisamment élevé.

Fondamentalement, le champ critique et le courant critique dépendent de la température : plus la température est basse, plus le courant et le champ magnétique auxquels le matériau peut résister sont élevés. Donc, simplement parce qu’un supraconducteur a une valeur élevée T_ccela ne veut pas dire qu’il sera possible de l’utiliser à n’importe quelle température inférieure T_c. Dans de nombreuses applications, les performances d’un supraconducteur s’améliorent à mesure que le système refroidit.

Heureusement, les meilleurs supraconducteurs découverts jusqu’à présent, y compris une classe appelée supraconducteurs à base d’oxyde de cuivre (ou cuprate), peuvent également résister à des champs magnétiques très élevés lorsqu’ils sont conservés suffisamment froids.

Sur le terrain

Il y a quatre ans, un cuprate a été utilisé pour obtenir un record de force d’un champ magnétique stable (plutôt que pulsé) au Laboratoire national américain des champs magnétiques élevés (NHMFL) à Tallahassee, en Floride. Les bobines supraconductrices du NHMFL produisaient un champ magnétique de 45,5 tesla, mais seulement si elles étaient maintenues dans de l’hélium liquide, donc en dessous de 4,2 kelvins. « Nous n’utilisons pas de hautesT_c supraconducteurs parce que le T_c est élevé – nous les utilisons parce que [their critical magnetic field] est élevé », déclare la physicienne Laura Greene, scientifique en chef au NHMFL.

“Si vous voulez un aimant à champ élevé, vous devez le faire fonctionner à une température aussi basse que possible, car c’est là que vous obtenez le véritable pouvoir de la supraconductivité”, explique Yuhu Zhai, ingénieur en mécanique et électricité dans un autre laboratoire national américain. le Laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) dans le New Jersey.

Le CERN étudie les options d’un futur collisionneur de particules qui briserait à terme les protons avec des énergies sept fois supérieures à celles du LHC — une plage dans laquelle les physiciens espèrent pouvoir découvrir de nouvelles particules élémentaires. Pour atteindre ces énergies plus élevées, les particules doivent être accélérées à l’aide de champs plus élevés ou le long d’une boucle d’accélérateur plus longue, ou les deux. Pour construire une telle machine, les physiciens rêvent de creuser un tunnel circulaire pouvant atteindre 100 kilomètres de long, à côté de celui du LHC. Mais même avec une boucle aussi grande, les aimants supraconducteurs comme celui du LHC – des monstres de 8 tesla avec des bobines de niobium-titane – ne pourraient pas générer les champs requis, estimés entre 16 et 18 tesla. «À ce stade, il est clair que nous devons nous tourner vers d’autres matériaux», explique Bottura.

Haut actuel-T_c les supraconducteurs pourraient y arriver – mais probablement seulement s’ils sont conservés à la température de l’hélium liquide. Une proposition d’accélérateur similaire en Chine, le collisionneur circulaire électron-positon, utiliserait également desT_c aimants. “Nous envisageons depuis un certain temps des matériaux supraconducteurs à haute température, principalement des cuprates et à base de fer”, explique Wang Yifang, directeur de l’Institut de physique des hautes énergies de Pékin.

Courants critiques

Les supraconducteurs à base d’oxyde de cuivre présentent cependant d’autres inconvénients : ce sont des matériaux céramiques fragiles qui sont coûteux à produire et à intégrer dans les câbles. Leurs courants critiques sont également encore trop faibles, explique Wang. Une autre classe de supraconducteurs à base de fer pourrait, en principe, être plus performante tout en coûtant la moitié du prix des oxydes de cuivre, ajoute-t-il.

Bottura et d’autres étudient la faisabilité d’un tout nouveau type d’accélérateur. En remplaçant les protons par des muons – des particules similaires aux électrons mais 207 fois plus massives – un collisionneur pourrait étudier le même type de physique qu’un collisionneur proton-proton de 100 km, mais dans un anneau beaucoup plus petit, peut-être même qui pourrait s’insérer dans le tunnel LHC existant. Faire tourner les muons en cercle n’impliquerait pas de champs magnétiques d’une force particulièrement intense. Mais le problème est que la production d’un faisceau de muons doté des bonnes propriétés pourrait nécessiter des aimants allant jusqu’à 40 tesla.

À cette puissance, dit Bottura, « le problème n’est plus le supraconducteur, mais le maintien des bobines en place ». Les courants à l’intérieur des bobines électromagnétiques ont tendance à séparer l’aimant. À 40 tesla, même l’acier le plus résistant ne pourrait pas résister aux contraintes mécaniques. Au lieu de cela, les aimants pourraient devoir être exploités à l’aide de matériaux plus résistants, tels que les fibres de carbone. (Les exigences en matière de résistance ne sont pas aussi strictes pour les aimants NHMFL, qui doivent produire un champ élevé dans un espace de seulement quelques centimètres de large.)

Ainsi, dans les collisionneurs de protons et de muons, un supraconducteur offrant des performances bien meilleures que tout ce qui a été découvert jusqu’à présent pourrait faire une énorme différence, mais d’autres défis techniques se poseraient.

Voyage vers la fusion

La résistance structurelle pose déjà de sérieuses contraintes dans une autre classe de machines : celles qui visent à exploiter l’énergie de la fusion nucléaire. Une approche établie de longue date de la fusion tente de confiner un plasma à l’aide d’aimants disposés en forme de beignet appelé tokamak. Le plasma est chauffé à des millions de degrés pour briser ensemble divers isotopes de l’hydrogène. Le plus grand tokamak expérimental au monde, appelé ITER, est en cours de construction dans le sud de la France et utilisera des aimants massifs refroidis à l’hélium liquide pour produire des champs de près de 12 tesla.

Mais les laboratoires industriels et financés par des fonds publics s’efforcent de concevoir des aimants tokamak basés sur des matériaux de haute qualité.T_c supraconducteurs pour plusieurs raisons, explique Zhai. Des champs plus élevés pourraient considérablement augmenter la vitesse à laquelle un réacteur à fusion brûle son combustible, et donc augmenter l’énergie pouvant être produite – du moins en principe, car bon nombre des étapes cruciales pour extraire l’énergie de la fusion doivent encore être démontrées. L’un des résultats positifs des efforts industriels visant à accroître la production deT_c matériaux magnétiques est que leur coût a baissé. (Ils restent cependant beaucoup plus chers que ceux en niobium-titane.)

En outre, les tokamaks devraient à terme renoncer au refroidissement à l’hélium liquide, explique Zhai, et pas seulement parce que les systèmes de refroidissement sont complexes à construire. L’hélium est une ressource rare et il ne serait pas possible de construire des centaines de réacteurs de la taille d’ITER qui l’utiliseraient.

Selon Greene, la recherche de meilleurs matériaux supraconducteurs est une tâche à haut risque, car les succès ont été jusqu’à présent rares. Néanmoins, ajoute-t-elle, « c’est un travail difficile et passionnant, qui change le monde ».