Un espoir renouvelé dans la recherche de supraconducteurs

Il serait inapproprié de le comparer à la pierre philosophale, mais il y a quelque chose de captivant dans la recherche d’un supraconducteur à température ambiante. Ce matériau pourrait transmettre l’électricité parfaitement, sans aucune résistance, permettant ainsi de capter l’énergie renouvelable là où elle abonde et de la livrer efficacement dans des villes lointaines, contribuant ainsi grandement à résoudre la crise climatique.

L’enthousiasme a été palpable dans le monde de la physique l’année dernière, lorsque non pas un, mais deux matériaux censés être de tels supraconducteurs ont été découverts. En mars 2023, des chercheurs ont rapporté un matériau connu sous le nom de « matière rouge » qui pourrait prétendument faire l’affaire à 21°C, bien que seulement sous des pressions incroyables. Peu après, une autre substance appelée LK-99 a été annoncée, fonctionnant apparemment à la fois à température ambiante et à pression ambiante. Malheureusement, tout ce qui brille n’est pas or – ces affirmations ont maintenant été largement réfutées.

Un tournant dans la recherche des supraconducteurs

Mais l’agitation autour de ces études masque une vérité plus subtile et intéressante : la recherche élargie dans la quête d’un supraconducteur pratique avance rapidement et il semble que, enfin, nous atteignons un tournant décisif. Ces dernières années, les percées expérimentales ont été plus nombreuses qu’on ne peut l’imaginer, tandis que les théoriciens affinent une multitude de méthodes pour prédire la composition de nouveaux matériaux supraconducteurs à partir de zéro. « Les gens de ma génération se souviennent quand il était absolument certain qu’il n’y aurait jamais de supraconducteur à température ambiante », dit J. C. Séamus Davis, physicien à l’Université d’Oxford. « Maintenant, nous réalisons à quel point nous avions tort. »

Retour en 1911, le physicien Heike Kamerlingh Onnes découvrait que, à -270°C – juste 3°C au-dessus du zéro absolu, la température la plus froide possible – la résistance électrique du mercure disparaissait soudainement. Aucun des grands physiciens de l’époque, y compris Albert Einstein, ne s’attendait à ce comportement. Mais ce n’est que près de 50 ans plus tard que trois physiciens – John Bardeen, Leon Cooper et John Robert Schrieffer – ont résolu l’énigme. La théorie BCS, qui porte leurs initiales, est maintenant considérée comme un sommet de la science du XXe siècle : belle dans sa simplicité, formidable dans sa puissance prédictive.

La paire de Cooper et les superconducteurs à base de cuprate

Pour comprendre l’idée, imaginez zoomer à l’intérieur d’un matériau supraconducteur, où des électrons chargés négativement créent un courant électrique en se déplaçant à travers un treillis de noyaux atomiques positivement chargés. À mesure qu’un électron se déplace, il attire les noyaux à proximité, déclenchant des ondulations de charge positive dans son sillage. Cela attire un autre électron, le traînant derrière le premier, comme s’il était en laisse. Ces électrons appariés, connus sous le nom de paire de Cooper, sont alors immunisés contre les vibrations du treillis d’atomes qui composent le matériau, qui causent généralement une résistance électrique.

À moins, bien sûr, que le treillis ne vibre si fort qu’il a suffisamment d’énergie pour rompre la laisse de la paire de Cooper. En physique, plus de chaleur équivaut à plus de vibrations, ce qui explique pourquoi, selon la théorie BCS, la supraconductivité se produit généralement à très basses températures. Comme toute bonne hypothèse, la BCS a également fait une prédiction. Elle suggérait que les matériaux dans lesquels les atomes du treillis étaient relativement légers seraient supraconducteurs à des températures plus élevées. Étant plus légers, ces atomes onduleraient plus facilement, créant une laisse plus robuste entre les électrons appariés.

La théorie expliquait tous les supraconducteurs alors connus, des métaux tels que le plomb, le niobium et l’étain, ainsi que le mercure original. Pour tous ces matériaux, le point auquel la supraconduction commençait – la température critique appelée – était à quelques degrés du zéro absolu.

Les cuprates et l’émergence des supraconducteurs non conventionnels

Puis vint 1986, et la découverte surprise par J. Georg Bednorz et K. Alex Müller au laboratoire de recherche d’IBM Zurich en Suisse de la supraconductivité dans un matériau à base d’oxyde de cuivre, ou cuprate, à une température relativement douce de -238°C. En quelques années, d’autres groupes ont trouvé des matériaux similaires fonctionnant à des températures encore plus élevées, jusqu’à -180°C. C’était tout à fait surprenant. Non seulement ces matériaux étaient considérés comme des isolants qui ne conduisent généralement pas l’électricité du tout, mais ils ont également échoué face à la théorie BCS et son insistance sur le fait que seuls les matériaux constitués d’atomes très légers pouvaient être supraconducteurs à des températures plus élevées. Le cuivre et l’oxygène n’entraient pas dans cette catégorie. Ces cuprates sont devenus connus comme des supraconducteurs « non conventionnels » parce qu’ils défiaient l’orthodoxie BCS.

Ces matériaux ont continué à s’améliorer, bien qu’ils aient atteint une limite. Aujourd’hui, les meilleurs supraconducteurs non conventionnels fonctionnent à environ -140°C. C’est suffisamment bon pour certaines applications. Ils sont utilisés pour fabriquer des aimants extrêmement puissants, par exemple, comme ceux trouvés dans les machines IRM. Nous les refroidissons à des températures glaciales à l’aide d’azote liquide.

Mais ce que tout le monde désirait vraiment, c’était un supraconducteur qui pourrait être utilisé partout, une panacée technologique qui, entre autres, révolutionnerait les réseaux électriques. Pour progresser vers cet objectif, nous avions besoin d’une façon d’aller au-delà de la simple théorie et de tester ce que faisaient les électrons à l’intérieur des supraconducteurs non conventionnels.

Davis et ses collègues ont réussi exactement cela dans un travail publié en 2022 qui utilisait un microscope à effet tunnel, un instrument dans lequel une aiguille métallique scanne la surface d’un échantillon, avec des électrons sautant de celle-ci au matériau examiné. Ils ont analysé un supraconducteur cuprate particulier en utilisant deux aiguilles légèrement différentes, dont l’une était elle-même supraconductrice. Cela a permis aux chercheurs d’obtenir des cartes des paires de Cooper. « Il m’a fallu juste un peu moins de 30 ans », plaisante Davis. « Personne n’avait jamais visualisé les paires de Cooper auparavant, par aucune technique que ce soit. »

L’équipe a vu que les paires de Cooper étaient les plus nombreuses là où les sauts entre le matériau et les aiguilles étaient les plus faciles. Selon Davis, cela constitue une preuve solide à l’appui d’une hypothèse particulière de la supraconductivité non conventionnelle avancée par le regretté lauréat du prix Nobel Philip Anderson. Il disait que les électrons se couplent dans les cuprates non pas en se déplaçant de manière continue, comme dans la théorie BCS, mais de manière à ce qu’ils corréleraient une propriété mécanique quantique appelée spin – un électron tourne vers le bas, le suivant vers le haut, et ainsi de suite.

L’expérience devra être répétée sur un large éventail de supraconducteurs non conventionnels avant que l’hypothèse d’Anderson soit pleinement acceptée. Si elle l’est, les chercheurs pourront alors utiliser l’idée en toute conf

iance pour prédire les structures de nouveaux supraconducteurs meilleurs. Ce ne sera pas facile cependant – l’idée d’Anderson implique des interactions beaucoup plus compliquées entre les électrons que la théorie BCS et les simulations sont incroyablement ardues pour même les meilleurs superordinateurs.

L’IA et les supraconducteurs

Cependant, peut-être que nous n’avons pas besoin de nous embêter avec des prédictions de premiers principes après tout. C’est l’espoir offert par l’intelligence artificielle, qui est de plus en plus considérée comme un moyen de trouver de meilleures substances supraconductrices basées sur des tendances dans les données expérimentales existantes.

L’année dernière, une équipe dirigée par Christopher Stiles à l’Université Johns Hopkins dans le Maryland a entraîné un algorithme d’IA en utilisant SuperCon, une base de données des compositions de plus de 16 000 supraconducteurs connus et des températures auxquelles ils commencent à fonctionner. Dans son premier calcul, l’IA a prédit des dizaines de matériaux supraconducteurs possibles. Les chercheurs savaient déjà d’après la littérature que certains de ces matériaux n’étaient pas vraiment des supraconducteurs, donc ils ont mis de côté ces prédictions et ont fabriqué quelques-uns des autres composés suggérés.

Ces derniers n’étaient rien de spécial non plus, donc l’équipe a renvoyé toutes les données négatives à l’algorithme et l’a relancé. Toujours rien.

Les chercheurs ont répété ce processus et à la quatrième itération, l’IA a sorti ce qu’ils voulaient : des prédictions pour six supraconducteurs, cinq d’entre eux étant déjà connus pour être authentiques (bien qu’ils ne fussent pas inclus dans les données d’entraînement originales). À titre d’essai, ils ont synthétisé l’autre, un alliage non testé des métaux zirconium, indium et nickel. Et voilà, lorsqu’ils l’ont refroidi en dessous de -264°C, il est devenu un supraconducteur. Pas assez chaud pour révolutionner le monde de quiconque, mais une preuve du potentiel de l’IA.

Stiles ne connaît pas le mécanisme par lequel l’alliage de zirconium fonctionne, et l’algorithme non plus. Cela n’a pas d’importance : comme toutes les IA, sa prédiction se résume à une analyse statistique. Et elle ne peut que s’améliorer. « Avec cette approche, plus vous intégrez de données, plus elle devient prédictive », dit Stiles. « Contrairement à moi – plus je me nourris de données, plus j’oublie les données antérieures. » Ou peut-être revenons-nous aux supraconducteurs BCS. Pendant des décennies, cela ne semblait pas prometteur car aucun n’opérait beaucoup au-dessus du zéro absolu. Mais ils avaient au moins une règle claire qui indiquait la voie vers un fonctionnement à des températures plus élevées : utiliser des atomes plus légers. En effet, le supraconducteur le plus performant de tous pourrait bien être une forme métallique fabuleuse de l’élément le plus léger, l’hydrogène, que les scientifiques ont essayé et échoué à synthétiser pendant près de 90 ans. Les prétendants les plus proches pourraient être les hydrures supraconducteurs, des alliages qui contiennent autant d’hydrogène que possible – et ce sont eux qui ont soudainement enflammé le domaine.

Les hydrures et les nickelates

Leur ascension a commencé en 2015, lorsqu’une équipe de l’Institut Max Planck de chimie à Mayence, en Allemagne, a expérimenté avec du sulfure d’hydrogène. En soumettant l’échantillon à des pressions de 90 gigapascals, environ un million de fois la pression atmosphérique, les chercheurs ont découvert qu’il commençait à être supraconducteur à -83°C, près de 60°C plus chaud que le meilleur cuprate. D’autres résultats ont rapidement suivi. L’hydrure de lanthane, un alliage qui contient 10 atomes d’hydrogène pour chaque atome de lanthane, s’est avéré particulièrement intrigant. En 2018, il montrait des signes de supraconductivité à haute pression à -23°C. Un an plus tard, il a été rendu fonctionnel à -13°C (9°F).

Avec des avancées se rapprochant tant de la température ambiante, la recherche en supraconductivité devient plus compétitive que jamais. Peut-être cela explique-t-il en partie la frénésie autour de la matière rouge et de LK-99. L’article sur la matière rouge a maintenant été rétracté à la demande de certains de ses co-auteurs, qui, entre autres problèmes, ont cité des inexactitudes dans les données. Pendant ce temps, les tentatives répétées de reproduire les expériences LK-99 ont échoué. Les scientifiques se plaignent qu’ils ne savent plus à quoi se fier, et à l’heure actuelle, il n’y a pas de consensus sur la température la plus élevée à laquelle un supraconducteur fonctionne, ni dans quel matériau.

On pourrait arguer que cela est irrélevant. Tous les hydrures supraconducteurs étudiés expérimentalement ne fonctionnent qu’à haute pression, jusqu’à environ 300 gigapascals, plus ou moins la compression que vous trouveriez au centre de la Terre. Atteindre cela nécessite un échantillon minuscule et une presse à enclume de diamant – comme un étau, mais avec une paire de diamants opposés pour infliger la force torturante. Clairement, même si un hydrure à haute pression franchit le cap de la température ambiante, les applications pratiques seront peu nombreuses.

Impasse, alors ? Les théoriciens s’accordent largement à dire que les hydrures simples impliquant l’hydrogène et un autre élément ne peuvent pas supraconduire beaucoup au-delà de la température ambiante sans être soumis à de très hautes pressions. De même, les supraconducteurs non-BCS originaux, les cuprates, sont dans une impasse : les progrès ont atteint un plateau au milieu des années 1990. « C’est tentant », dit Chris Pickard, théoricien à l’Université de Cambridge. « Vous voyez ces belles courbes des températures critiques enregistrées qui montent en flèche, mais ensuite elles plafonnent. »

Cependant, il existe d’autres voies à explorer. En 2019, une équipe de l’Université de Stanford en Californie a découvert que des matériaux similaires aux cuprates, mais avec des atomes de nickel en remplacement du cuivre, peuvent également agir comme des supraconducteurs non conventionnels. Actuellement, les températures critiques maximales pour ces « nickelates » sont d’environ -193°C à pression ambiante, les plaçant bien derrière le peloton. Pourtant, cette découverte ouvre tout un nouvel ensemble de matériaux pour les physiciens à manipuler et à optimiser.

En plus de cela, nous avons découvert une autre famille de supraconducteurs basée sur le fer en 2006, bien que les meilleurs qu’ils puissent gérer jusqu’à présent – encore une fois, à pression atmosphérique standard – soient d’environ -217°C. Mais le point est que cela élargit l’espace dans lequel nous pouvons expérimenter. « Nous sommes passés d’une famille de supraconducteurs à haute température à quatre », dit Sven Friedemann à l’Université de Bristol, au Royaume-Uni. « Cela montre que plusieurs voies peuvent mener à la supraconductivité à température ambiante, et cela me rend très optimiste quant à la possibilité de la supraconductivité à température ambiante à pression ambiante. »

Beaucoup d’espoirs reposent maintenant sur les hydrures – mais des hydrures plus complexes, impliquant deux éléments en plus de l’hydrogène, plutôt qu’un seul. Les calculs suggèrent que les éléments supplémentaires peuvent aider à stabiliser les structures atomiques, rendant les hautes pressions inutiles. Plus tôt cette année, un groupe international a effectué un balayage théorique de plus d’un million de ces hydrures et a découvert qu’un sous-ensemble contenant du magnésium devrait supraconduire jusqu’à environ -170°C à pression ambiante. Dans le même temps, un autre groupe international de chercheurs, incluant Pickard, a corroboré le résultat et a également identifié un hydrure particulier de magnésium et d’iridium qui devrait supraconduire à un impressionnant -113°C. « Si nous avons raison, nous avons battu les cuprates à pression ambiante », dit Pickard.

Comme il l’admet, ces études peuvent être interprétées de deux manières. La bonne nouvelle est que la supraconductivité à température plus élevée est possible sans hautes pressions. La mauvaise nouvelle est que la recherche étendue n’a toujours pas trouvé de candidats à température ambiante. « C’est bien », dit Pickard, « mais pas assez bon. »

Pourtant, comme toujours dans la recherche sur la supraconductivité, des surprises peuvent attendre. Lors d’une réunion de l’American Physical Society en mars, Adam Denchfield à l’Université de l’Illinois à Chicago a présenté les résultats d’une nouvelle manière de rechercher des hydrures prometteurs. Plutôt que d’essayer de comprendre comment réduire les pressions nécessaires pour stabiliser les hydrures supraconducteurs connus, lui et ses collègues font l’inverse : commencer avec ceux connus pour être stables à pression ambiante et voir comment ils peuvent être modifiés pour la supraconductivité à haute température. Ils ont découvert qu’un hydrure particulier de yttrium avec un éparpillement de lithium devrait, avec quelques ajustements du contenu en lithium, supraconduire à -53°C.

Ce n’est toujours pas la température ambiante, pourrait-on penser. Mais il y a des barres d’erreur sur ce nombre et « elles vont dans les deux sens », a déclaré Denchfield lors de la réunion. Il a souligné que la même prévision théorique pour l’hydrure de lanthane donnait une température critique 60°C plus froide que sa valeur mesurée. Pourrait-il en être de même pour l’hydrure de yttrium sous-estimé à -53°C ? Si tel est le cas, la température ambiante n’est soudainement pas si loin, après tout.

Continuation des découvertes et implications futures

Implications pour l’énergie et l’environnement

L’avancée vers un supraconducteur à température ambiante représente plus qu’un simple exploit scientifique; elle promet une révolution dans notre manière de produire, de stocker et de transporter l’énergie. En particulier, elle pourrait transformer radicalement les réseaux électriques, réduisant les pertes d’énergie massives dans les lignes de transmission et permettant une utilisation plus efficace des sources d’énergie renouvelables, dispersées géographiquement. Imaginez un monde où l’énergie solaire captée dans les déserts arides peut être distribuée à travers les continents sans perte significative d’énergie, ou où l’énergie éolienne des régions les plus venteuses peut être facilement accessible aux métropoles énergivores.

Défis technologiques et économiques

Toutefois, les défis ne se limitent pas aux aspects techniques. Les implications économiques et les infrastructures nécessaires pour intégrer ces technologies dans notre quotidien ne doivent pas être sous-estimées. La transition vers des supraconducteurs à température ambiante nécessiterait des investissements considérables en termes de recherche et développement, ainsi que des changements dans les politiques énergétiques et les régulations à l’échelle mondiale.

L’impact sur d’autres technologies

En plus de révolutionner les réseaux électriques, les supraconducteurs à température ambiante pourraient également avoir un impact significatif sur d’autres technologies. Par exemple, ils pourraient améliorer l’efficacité des appareils électroniques, réduire les coûts de production et augmenter la durabilité des appareils. Ils pourraient également permettre de nouveaux progrès dans les domaines des transports, notamment pour des trains à lévitation magnétique plus efficaces, ou dans le domaine médical, pour des équipements de diagnostic plus précis et moins énergivores.

La collaboration internationale comme clé du succès

L’atteinte de ces objectifs nécessitera une collaboration internationale sans précédent. Les découvertes dans le domaine des supraconducteurs ont souvent été le fruit de coopérations transnationales, et cette tendance doit se poursuivre et s’intensifier. Les échanges de connaissances et de ressources entre les universités, les instituts de recherche et les entreprises du monde entier seront cruciaux pour surmonter les obstacles techniques et commerciaux.

Conclusion: Un avenir prometteur malgré les défis

En conclusion, bien que le chemin vers un supraconducteur à température ambiante soit semé d’embûches, les progrès continus dans ce domaine offrent un aperçu d’un avenir où cette technologie pourrait jouer un rôle central dans la résolution de certains des défis les plus pressants de notre temps, notamment la crise climatique et la demande croissante en énergie. Les succès récents et les collaborations internationales renforcent notre optimisme quant à la réalisation de cet objectif, peut-être plus tôt que nous l’imaginons.

La quête de supraconducteurs à température ambiante reste l’une des frontières les plus passionnantes de la science moderne. Comme l’ont montré les efforts passés et présents, chaque découverte nous rapproche un peu plus de ce rêve, tout en ouvrant la voie à de nouvelles questions et à de nouvelles explorations. Que ce soit par l’innovation technologique ou la coopération internationale, l’esprit humain continue de repousser les limites de ce qui est possible, nous rapprochant toujours plus d’un futur plus durable et technologiquement avancé.