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21 Oct, 2020

La supraconductivité à température ambiante a été atteinte pour la première fois

La supraconductivité à température ambiante a été atteinte pour la première fois

Il s’agissait d’un échantillon minuscule soumis à une pression extrêmement élevée, alors ne commençons pas encore à démanteler l’infrastructure énergétique mondiale.

L’équipement utilisé pour créer un supraconducteur à température ambiante, y compris une cellule à enclume de diamant (diamond anvil cell ou boîte bleue) et des réseaux laser, est représenté dans le laboratoire de Ranga Dias de l’université de Rochester.

L’équipement utilisé pour créer un supraconducteur à température ambiante, y compris une cellule à enclume de diamant (boîte bleue) et des réseaux laser, est représenté dans le laboratoire de Ranga Dias de l’université de Rochester.

Les supraconducteurs à température ambiante – des matériaux qui conduisent l’électricité avec une résistance nulle sans nécessiter de refroidissement spécial – sont le genre de miracle technologique qui bouleverserait la vie quotidienne. Ils pourraient révolutionner le réseau électrique et permettre la mise en lévitation des trains, parmi de nombreuses autres applications potentielles. Mais jusqu’à présent, les supraconducteurs ont dû être refroidis à des températures extrêmement basses, ce qui les a limités à une utilisation en tant que technologie de niche (bien qu’importante). Pendant des décennies, il a semblé que la supraconductivité à température ambiante pourrait être à jamais hors de portée, mais au cours des cinq dernières années, quelques groupes de recherche dans le monde se sont lancés dans une course pour l’atteindre en laboratoire.

L’un d’entre eux vient de gagner.

Dans un article publié aujourd’hui dans Nature, des chercheurs rapportent avoir atteint la supraconductivité à température ambiante dans un composé contenant de l’hydrogène, du soufre et du carbone à des températures allant jusqu’à 13,3 °C. La température la plus élevée précédente avait été de 260 K, soit 8 °F ou – 13,3 °, atteinte par un groupe rival à l’université George Washington et à la Carnegie Institution de Washington, DC, en 2018. (Un autre groupe à l’Institut Max Planck de chimie de Mayence, en Allemagne, a atteint 250 K, ou -9,7 °F, à peu près à la même époque). Comme les précédents records, le nouveau record a été atteint sous des pressions extrêmement élevées – environ deux millions et demi de fois plus élevées que celles de l’air que nous respirons.

« C’est un point de repère », déclare José Flores-Livas, physicien informaticien à l’université Sapienza de Rome, qui crée des modèles expliquant la supraconductivité à haute température et qui n’a pas participé directement aux travaux. « En quelques années, dit-il, nous sommes passés de 200 [K] à 250 et maintenant à 290. Je suis presque sûr que nous atteindrons 300 (26 °C) ».

Les courants électriques sont des charges électriques circulantes, le plus souvent composées d’électrons. Les conducteurs, comme les fils de cuivre, contiennent beaucoup d’électrons mal liés. Lorsqu’un champ électrique est appliqué, ces électrons circulent relativement librement. Mais même les bons conducteurs comme le cuivre ont une résistance : ils s’échauffent lorsqu’ils transportent de l’électricité.

La supraconductivité, c’est-à-dire la circulation des électrons à travers un matériau sans résistance, semble impossible à première vue. C’est comme si l’on pouvait rouler à grande vitesse dans un centre-ville encombré, sans jamais toucher un feu de circulation. Mais en 1911, la physicienne néerlandaise Heike Kamerlingh Onnes a découvert que le mercure devient un supraconducteur lorsqu’il est refroidi à quelques degrés au-dessus du zéro absolu (environ -460 °F, ou -273 °C). Elle a rapidement observé ce phénomène dans d’autres métaux comme l’étain et le plomb.

Pendant de nombreuses décennies, la supraconductivité ne s’est créée qu’à des températures extrêmement basses. Puis, fin 1986 et début 1987, un groupe de chercheurs du laboratoire IBM de Zurich a découvert que certains oxydes de céramique peuvent être supraconducteurs à des températures atteignant 92 K (-181 °C=) – ce qui est supérieur à la température d’ébullition de l’azote liquide, qui est de 77 K. Cela a transformé l’étude de la supraconductivité et de ses applications dans des choses comme les IRM des hôpitaux, car l’azote liquide est bon marché et facile à manipuler. (L’hélium liquide, bien que plus froid, est beaucoup plus délicat et coûteux.) L’énorme bond en avant des années 80 a conduit à des spéculations fébriles sur la possibilité d’une supraconductivité à température ambiante. Mais ce rêve s’est avéré insaisissable jusqu’aux recherches dont il est question aujourd’hui.

Sous la pression

Les supraconducteurs fonctionnent notamment lorsque les électrons qui les traversent sont « couplés » aux vibrations des phonons dans le réseau d’atomes dont est composé le matériau. Le fait que les deux soient synchronisés, selon les théoriciens, permet aux électrons de circuler sans résistance. Les basses températures peuvent créer les conditions nécessaires à la formation de telles paires dans une grande variété de matériaux. En 1968, Neil Ashcroft, de l’université de Cornell, a affirmé que sous de hautes pressions, l’hydrogène serait également un supraconducteur. En forçant les atomes à s’agglutiner étroitement, les hautes pressions modifient le comportement des électrons et, dans certaines circonstances, permettent la formation de paires électron-phonon.

Depuis des décennies, les scientifiques cherchent à comprendre ces circonstances et à déterminer quels autres éléments pourraient être mélangés à l’hydrogène pour obtenir la supraconductivité à des températures progressivement plus élevées et à des pressions plus basses.

Dans les travaux présentés dans l’article d’aujourd’hui, des chercheurs de l’université de Rochester et leurs collègues ont d’abord mélangé du carbone et du soufre dans un rapport de un pour un, broyé le mélange en petites boules, puis pressé ces boules entre deux diamants tout en injectant de l’hydrogène gazeux.

Un laser a été braqué sur le composé pendant plusieurs heures pour rompre les liaisons entre les atomes de soufre, modifiant ainsi la chimie du système et le comportement des électrons dans l’échantillon. Le cristal qui en résulte n’est pas stable à basse pression, mais il est supraconducteur. Il est également très petit – sous les hautes pressions auxquelles il est supraconducteur, il fait environ 30 millionièmes de mètre de diamètre.

Les détails exacts du fonctionnement de ce composé ne sont pas entièrement compris – les chercheurs ne savent même pas exactement quel composé ils ont fabriqué. Mais ils développent de nouveaux outils pour le découvrir et sont optimistes quant à la possibilité de modifier la composition du composé pour qu’il reste supraconducteur même à des pressions plus faibles.

Réduire à 100 gigapascals – soit environ la moitié des pressions utilisées dans le papier Nature actuel – permettrait de commencer à industrialiser des « capteurs super minuscules à très haute résolution », spécule M. Flores-Livas. Des capteurs magnétiques précis sont utilisés dans la prospection minière et aussi pour détecter la mise à feu des neurones dans le cerveau humain, ainsi que pour fabriquer de nouveaux matériaux pour le stockage des données. Un capteur magnétique précis et peu coûteux est le type de technologie qui ne semble pas sexy en soi, mais qui en rend beaucoup d’autres possibles.

Et si ces matériaux peuvent être transformés de minuscules cristaux pressurisés en de plus grandes tailles qui fonctionnent non seulement à température ambiante mais aussi à pression ambiante, ce serait le début d’un changement technologique encore plus profond. Ralph Scheicher, modélisateur informatique à l’université d’Uppsala en Suède, déclare qu’il ne serait pas surpris si cela se produisait « au cours de la prochaine décennie ».

La résistance est futile

Les modes de production, de transmission et de distribution de l’électricité seraient fondamentalement transformés par des supraconducteurs à température ambiante bon marché et efficaces, d’une taille supérieure à quelques millionièmes de mètre. Environ 5 % de l’électricité produite aux États-Unis est perdue lors de la transmission et de la distribution, selon l’Energy Information Administration. L’élimination de cette perte permettrait, pour commencer, d’économiser des milliards de dollars et aurait un impact significatif sur le climat.

Mais les supraconducteurs à température ambiante ne changeraient pas seulement le système que nous avons, ils permettraient de mettre en place un tout nouveau système. Les transformateurs, qui sont essentiels au réseau électrique, pourraient être rendus plus petits, moins chers et plus efficaces. Il en va de même pour les moteurs et les générateurs électriques. Le stockage de l’énergie par supraconducteurs est actuellement utilisé pour lisser les fluctuations à court terme du réseau électrique, mais il reste encore relativement spécialisé car il faut beaucoup d’énergie pour maintenir les supraconducteurs au froid.

Les supraconducteurs à température ambiante, surtout s’ils peuvent être conçus pour résister à de forts champs magnétiques, pourraient constituer un moyen très efficace de stocker de plus grandes quantités d’énergie pendant de plus longues périodes, rendant plus efficaces les sources d’énergie renouvelables mais intermittentes comme les éoliennes ou les cellules solaires.

Et parce que l’électricité qui circule crée des champs magnétiques, les supraconducteurs peuvent également être utilisés pour créer de puissants aimants pour des applications aussi diverses que les machines d’IRM et les trains en lévitation. Les supraconducteurs ont également une grande importance potentielle dans le domaine naissant de l’informatique quantique. Les qubits supraconducteurs sont déjà à la base de certains des ordinateurs quantiques les plus puissants du monde. Pouvoir fabriquer de tels qubits sans avoir à les refroidir rendrait non seulement les ordinateurs quantiques plus simples, plus petits et moins chers, mais pourrait aussi permettre de progresser plus rapidement dans la création de systèmes de nombreux qubits, en fonction des propriétés exactes des supraconducteurs créés.

Toutes ces applications sont en principe réalisables avec des supraconducteurs qui doivent être refroidis à basse température pour pouvoir fonctionner. Mais si vous devez les refroidir aussi radicalement, vous perdez de nombreux avantages – dans certains cas, tous les avantages que vous tirez de l’absence de résistance électrique. Cela les rend également plus compliqués, plus chers et plus sujets aux pannes.

Il reste à voir si les scientifiques peuvent concevoir des composés stables qui soient supraconducteurs non seulement à la température ambiante, mais aussi à la pression ambiante. Mais les chercheurs sont optimistes. Ils concluent leur article par cette affirmation alléchante : « Un matériau supraconducteur robuste à température ambiante qui transformera l’économie d’énergie, le traitement quantique de l’information et la détection est peut-être réalisable ».

https://www.technologyreview.com/2020/10/14/1010370/room-temperature-superconductivity/

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z

https://www.aip.org/fyi/2019/helium-users-grapple-supply-crunch