Monde de la physique : supraconducteurs

On connaît aujourd’hui divers matériaux capables de conduire l’électricité sans perte. De tels supraconducteurs promettent de nombreuses applications techniques, surtout s’ils perdent déjà leur résistance électrique à température ambiante. Au cours des dernières années, les physiciens se sont de plus en plus rapprochés de cet objectif. Certains prétendent même y être parvenus, mais des doutes subsistent.

Le 8 avril 1911, Heike Kamerlingh Onnes aurait écrit dans son carnet : « Kwik nagenoeg nul » – « Mercure presque nul ». Il avait auparavant refroidi le métal à environ quatre degrés au-dessus du zéro absolu à l’aide d’hélium liquide, ce qui correspond à moins 269 degrés Celsius. La résistance électrique, comme l’indiquaient ses instruments de mesure, semblait disparaître brusquement en dessous de cette température. Le mercure conduisait apparemment le courant électrique sans aucune perte. En 1913, le scientifique reçut le prix Nobel de physique pour ses travaux.

Au cours des décennies qui ont suivi, de nombreux autres matériaux ont été découverts dans lesquels la « supraconductivité » découverte par Onnes se produisait en dessous d’une certaine température, appelée température de transition. Ce phénomène promettant de nombreuses applications techniques, il suscite un grand intérêt. Les températures de fonctionnement extrêmement basses constituent toutefois un obstacle. Afin de pouvoir un jour utiliser les supraconducteurs à plus grande échelle, par exemple pour la transmission de puissance, les scientifiques recherchent fébrilement des matériaux qui perdent leur résistance électrique même à des températures plus élevées – idéalement à température ambiante.

supraconducteur à haute température

Johannes Georg Bednorz et Karl Alexander Müller ont franchi une étape importante en 1986 : ils ont découvert un composé composé de lanthane, de strontium, de cuivre et d’oxygène, qui devient déjà supraconducteur à moins 238 degrés Celsius. Même si cette valeur est loin de n’importe quelle température ambiante, les deux ont ouvert de nouvelles voies pour la recherche de matériaux présentant des températures critiques encore plus élevées. En 1987, les deux scientifiques reçoivent le prix Nobel de physique pour leur découverte.

Différentes classes de matériaux supraconducteurs sont désormais connues, chacune présentant ses avantages et ses inconvénients. Par exemple, les fils peuvent être formés à partir de supraconducteurs métalliques, mais ils nécessitent des températures extrêmement basses. Les supraconducteurs céramiques à haute température découverts par Bednorz et Müller ont des températures de transition plus élevées, mais ils sont assez fragiles et donc difficiles à traiter – même si cela est désormais possible grâce à des procédés spéciaux. C’est ce que prouve par exemple un câble haute tension en céramique supraconductrice dans le centre-ville d’Essen, à travers lequel l’électricité circule de manière fiable depuis 2014. Et les supraconducteurs sont déjà utilisés ailleurs. Cela s’applique avant tout aux bobines magnétiques supraconductrices qui, lorsqu’elles sont refroidies avec de l’hélium liquide, génèrent les champs magnétiques ultra-puissants requis, par exemple dans les accélérateurs de particules ou dans les tomographes à résonance magnétique. Cependant, cette technologie reste encore trop coûteuse et complexe pour une application à grande échelle.

Les scientifiques du monde entier continuent donc de rechercher de nouvelles substances supraconductrices possédant de meilleures propriétés que les matériaux connus auparavant. Un certain nombre d’hydrures métalliques, composés chimiques constitués d’hydrogène et d’un métal ou d’un métal de transition, ont fait la une des journaux ces dernières années. En mai 2019, par exemple, un groupe dirigé par Mikhaïl Eremets de l’Institut de chimie Max Planck de Mayence a annoncé que l’hydrure de lanthane devenait supraconducteur à une pression de 170 gigapascals – ce qui correspond à plus d’un million de fois la pression atmosphérique – à environ moins 23. degré Celsius. À des températures que les congélateurs ordinaires peuvent atteindre. En 2015, une équipe dirigée par Eremets avait déjà établi un record avec l’hydrure de soufre, censé conduire l’électricité sans perte sous haute pression à moins 70 degrés Celsius.

Généralement, les physiciens recherchent trois caractéristiques pour confirmer un état supraconducteur. Dans les expériences à haute pression, on a pu mesurer à la fois une résistance électrique nulle et une baisse de la température de transition dans un champ magnétique externe. Le troisième signe, en revanche, n’a pas pu être détecté : un supraconducteur déplace complètement un champ magnétique externe de son intérieur. Entre dix et vingt micromètres, l’échantillon était tout simplement trop petit et le signal mesurable trop faible, ont expliqué Eremets et son équipe, pour détecter cet effet dit Meissner-Ochsenfeld à l’aide des méthodes actuelles.

Nouveaux records

En octobre 2020, une équipe dirigée par Ranga Dias de l’Université de Rochester à New York a ensuite présenté un supraconducteur constitué d’hydrure de soufre riche en carbone, qui conduirait l’électricité sans perte à une pression de 275 gigapascals, même à 15 degrés Celsius. Une avancée semblait avoir été réalisée : la supraconductivité à température ambiante. Cependant, des experts non impliqués dans les expériences ont critiqué l’évaluation et l’interprétation des données de mesure. En septembre 2022, la revue dans laquelle l’étude était alors publiée a effectivement retiré l’article. Les auteurs s’en tiennent toujours à leur travail.

En mars 2023, les scientifiques travaillant avec Dias ont même présenté un autre document record. Selon le groupe, l’hydrure de lutétium qui a été délibérément contaminé par des atomes d’azote présente des propriétés supraconductrices même sous une pression relativement basse d’un gigapascal et à une température chaude de 21 degrés Celsius. Jusqu’à présent, les résultats n’ont pas pu être reproduits de manière indépendante et sont également controversés.

Un supraconducteur présenté en juillet 2023, qui conduirait l’électricité sans pertes à température ambiante et à pression normale, a également fait sensation. Le matériau utilisé est un composé chimique de plomb, de cuivre, de phosphore et d’oxygène appelé LK-99. Le groupe dirigé par Sukbae Lee du Quantum Energy Research Center de Séoul a initialement publié ses résultats sur la plateforme arXiv – sans examen préalable par des experts indépendants – et dans une revue de langue coréenne presque inconnue.

Des groupes de recherche du monde entier tentent actuellement de reproduire les résultats, rapporte Karsten Held dans une interview au Welt der Physik. Mais jusqu’à présent, les résultats de ces expériences ont été contradictoires. Si les propriétés supraconductrices du LK-99 étaient confirmées, ce serait une sensation scientifique. “Des affirmations extraordinaires comme celle-ci nécessitent des preuves extraordinaires, et celles-ci ne sont actuellement pas disponibles”, a déclaré Held. La course au premier supraconducteur à température ambiante ne semble pas encore décidée.