Supraconductivité en bout à bout

Fin juin, la preuve manquait, prouvant que c'était une véritable supraconductivité. Ce qui confirme qu'ils ont atteint la supraconductivité à la plus haute température de l'histoire, près de 40 degrés de plus que la plus haute précédente. Après 30 ans de trempe, le thème de la supraconductivité a été remis à incandescence.

Le sujet a commencé à se réchauffer en décembre de l'année dernière, lorsque trois chercheurs de Max Planck ont publié en arXiv le sulfure d'hydrogène à haute pression, supraconducteur en 190 K (-83 °C). C'était la plus grande découverte depuis 1986 que des surconducteurs à haute température ont été découverts. La communauté scientifique a pris la nouvelle avec prudence. Dans cette première expérience on a découvert la disparition de la résistance électrique, mais ils n'ont pas pu démontrer la deuxième caractéristique de la supraconductivité : l'expulsion d'un champ magnétique (effet Meissner).

Les chercheurs de Max Planck ont rejoint deux autres physiciens de l'Université de Mayence pour préparer une seconde expérience pour observer l'effet Meissner. Et le résultat a été en Juin: L'effet Meissner était également là. Dans ce cas, la supraconductivité a été obtenue à 203 K (-70ºC). En outre, ils ont laissé leur échantillon à un groupe japonais qui a également confirmé leur supraconductivité.

Les résultats ont été publiés dans la revue Nature, ce qui confirme que les preuves sont solides. Cependant, les physiciens théoriques commencèrent à comprendre ce qui s'est passé dans cette expérience au mois de décembre, dès que les résultats ont été obtenus. L'un d'eux était le Donostiarra Ion Errea Lope. « La supraconductivité et la haute pression ont toujours été mes sujets », affirme Errea. Il a fait sa thèse et a ensuite développé une méthode de calcul à l'Université Pierre de Paris et Marie Curie, qui est maintenant très bien pour expliquer l'expérience des Max Planck: « Quand nous avons vu les résultats, nous avons pensé que nous avions un bon outil théorique pour affronter ce problème, et cela a été ainsi. » Physical Review Letters a publié son travail en avril.

Grand défi

«Un des grands défis que nous avons en physique», pour Errea, est la supraconductivité. Et le défi est double: d'une part, atteindre la température ambiante est un défi pratique et, d'autre part, un défi théorique, bien comprendre la supraconductivité. « Le défi théorique est énorme. Imaginez que plus de cent ans ont passé depuis qu'il a été trouvé et nous n'avons pas encore une explication complète. Cela montre combien il est complexe, c’est quelque chose de très spécial.»

Ion Errea Lope, chercheur au Donostia International Physics Center et professeur au Département de physique appliquée de l'UPV.

En 1911, le néerlandais Heike Kamerlingh Onnes découvre pour la première fois ce phénomène spécial. Trois ans plus tôt, il a réussi à liquéfier l'hélium, ce qui a ouvert les portes de la physique à basse température. Pendant les expériences avec l'hélium, il a été surpris de voir qu'en mettant le mercure à 4,19 K (-268,96 °C) la résistance électrique chutait presque à zéro soudainement. En remontant à 4,20K, la résistance du matériau était de nouveau affichée. Pendant deux ans, elle a reçu le prix Nobel de physique.

Près d'un demi-siècle, il a fallu trouver une explication à ce phénomène étonnant. Il est clair que ce n'est pas facile. Les physiciens connaissent bien les composants du système : « Dans l’interaction coulombienne entre des électrons et quelques ions (noyaux atomiques), ce n’est rien d’autre », explique Errea. Mais la vérité est qu'il y a beaucoup d'électrons et d'ions. « Il y a environ 10 23 atomes dans un gramme de matière. Il y a tant d'électrons et d'ions qui produisent des phénomènes collectifs très spéciaux. Pour expliquer ces phénomènes, nous devons décrire l'interaction de nombreux électrons et ions, ce qui est très difficile. Ce sont des phénomènes rares, qui ne sont pas attendus, et la supraconductivité est le plus grand représentant de cette complexité».

John Bardenen, Leon Cooper et Robert Schrieffer ont expliqué en 1957 la théorie BCS. Et en 1972, il a reçu le prix Nobel de physique. “La théorie BCS est très acceptée. Il explique bien le mercure, l’aluminium et la supraconductivité observée dans ce type de métaux », explique Errea. “La théorie est basée sur l'interaction électrophone-phonon. Les phonons sont quantiques des oscillations des atomes, c'est-à-dire, en définitive, l'énergie des vibrations des atomes (qui ne restent jamais debout). La théorie BCS dit que des paires d’électrons peuvent être formées par l’interaction électrophonon.» Les électrons eux-mêmes sont comparés entre eux en raison de la coulamine (charge négative), mais l'influence des phonons peut entraîner des électrons à s'attirer et former des paires: Paires Cooper. Et les paires Cooper peuvent transporter du courant électrique sans aucune perte, c'est-à-dire sans résistance.

«La question est que cette théorie a été très utile pour comprendre la supraconductivité de nombreux métaux, mais les supraconducteurs à haute température qui ont été découverts dans les années 80 ne peuvent en aucune façon être expliqués par cette théorie», explique Errea.

En 1986, J. Georg Bednorz et K. Alex. Les ressorts ont trouvé des supraconducteurs à haute température (35K, -238ºC). L'année suivante, ils ont reçu le prix Nobel de physique. Mais « il y a 30 ans et nous n’avons pas encore de théories pour expliquer ces superconducteurs », a souligné Errea. « Il y a plusieurs propositions : certaines proposent que la fluctuation des spins, au lieu des phonons, peut être celle qui provoque le couplage ; d’autres encore disent que les phonons peuvent être liés ; etc. Mais nous ne savons pas. Celui qui le précise va directement à Stockholm».

Saut à haute température

Détecteur ATLAS de l'accélérateur LHC. Sur ces huit tubes se trouvent les plus grands aimants supraconducteurs jamais construits. Ed. © CERN

Celle de 1986 a été une grande surprise. D'une part, on ne s'attendait pas à trouver de supraconductivité dans des matériaux comme les cuprates, et d'autre part, l'augmentation de température était considérable. Bien que l'initiale soit à 35K (-238ºC), ils ont tout de suite réussi à monter à 90K (-183 ºC), puis à plus, la température la plus élevée atteinte avec les couprats est de 133 K (-140ºC) à pression ambiante et 164 K (-109ºC) à haute pression. “Étant donné que les métaux les plus élevés obtenus sont 10-20 K, les températures sont très élevées”, a comparé Errea. En outre, ils entrent à la température de l'azote liquide (77 K, -196 ºC). « La génération d’azote liquide est relativement simple aujourd’hui et peut transformer ces matériaux en superconducteurs en azote liquide. C’est un grand avantage.»

« Le problème est que ces cuprates sont des matériaux très complexes avec lesquels il n’est pas facile de travailler. Maintenant, cependant, la nouvelle marque a été obtenue avec un composé très commun, le sulfure d'hydrogène (H 2 S)”. Il s'agit d'un gaz à odeur d'œufs pourris à température ambiante, présent dans les volcans et dans le gaz naturel, et produit également par des bactéries dans la décomposition de la matière organique sans oxygène. Cependant, lorsqu'il est soumis à une pression très élevée, ce gaz normal devient du métal, qui a maintenant été montré comme superconducteur à une température très élevée.

« Cette découverte peut être aussi révolutionnaire que celle de 1986, d’une part parce que la température de supraconductivité la plus élevée jamais mesurée, et d’autre part parce que dans ce cas la supraconductivité est due à l’interaction du phonon d’électrons », explique Errea. « Autrement dit, la théorie BCS sert à expliquer cela. Les gens avaient perdu espoir d'atteindre des températures élevées avec les phonons d'électrons supraconducteurs. Le meilleur phonon supraconducteur que nous avions était le diborure de magnésium (découvert en 2002), qui avait besoin de 40 K (-230 ºC). Et maintenant nous montons soudainement à 200K (-70ºC) ! Le problème est qu'une pression très élevée est nécessaire, mais il peut nous montrer comment obtenir de meilleurs matériaux supraconducteurs. Nous savons maintenant que nous pouvons trouver de bons phonons superconducteurs. Je pense que c’est le plus important.»

Prédictions théoriques

En fait, il a été annoncé depuis longtemps qu'un système à haute teneur en hydrogène pouvait être supraconducteur à haute pression à haute température. Il a été proposé en 1968 par le physicien Neil Ashcroft dans un court article. En 2014, Yinwei Li et ses collègues ont annoncé que le sulfure d'hydrogène pouvait être un superconducteur à haute pression (-193 °C). «Cela montre que les calculs théoriques ont la capacité de prédire de nouveaux superconducteurs, ce qui est très intéressant», a précisé Errea.

Et il y a plus de prédictions. “À haute pression, dans les composés riches en hydrogène les températures sont très élevées, mais c'est le premier test expérimental. En tout cas, je pense que nous pouvons espérer que la supraconductivité sera bientôt mesurée à température ambiante, même à haute pression. Ensuite, si tout ce que nous apprenons à une pression très élevée sera utile pour obtenir un matériau supraconducteur à pression environnementale, que je ne sais pas, c'est à dire trop, mais on sait. En tout cas, cela mérite un effort.»

Le train japonais SC Maggi lévite grâce aux aimants supraconducteurs. Un train de ce type a cassé en avril le record de vitesse à 603 km/h. Ed. Steve Kwak, Maryland Governors office/CC-BY-ND 3.0

En fait, les applications possibles des supraconducteurs à température ambiante pourraient être importantes. Le transport d'électricité est peut-être le plus évident. Actuellement, 8 à 15% de l'électricité transportée par des câbles est perdue sous forme de chaleur par résistance. «Si nous avions des câbles supraconducteurs, nous n’aurions pas de perte, explique Erreak, ce qui aurait une grande influence.»

Cependant, il existe déjà une industrie de super-conducteurs. Ils servent à réaliser des aimants très puissants, qui sont utilisés dans les hôpitaux pour obtenir des images par résonance magnétique ou en accélérateurs de particules pour accélérer les particules. Ces aimants conviennent également à la fabrication des trains lévités (trains maggi). Ces trains sont en phase d'essai au Japon, et l'un d'eux a brisé le record de vitesse des trains en avril avec 603 km/h.

Les premiers pas ont également été faits avec les câbles supraconducteurs pour transporter l'électricité. Placés dans quelques endroits à New York, le plus long, d'un kilomètre, a été mis l'année dernière dans la ville allemande d'Essen.

Mais, comme le dit Erre, “sûrement ceux qui peuvent venir sont beaucoup plus intéressants que nous pouvons prédire. Celui qui a développé le laser ne serait pas passé par la tête qui à un moment donné serait utilisé pour faire fonctionner les yeux”. Et peut-être pour cela, nous n'avons pas à attendre des surconducteurs à température ambiante. « Si la technologie est développée et que l’on parvient à embrasser les choses, on peut commencer à donner plus d’applications aux superconducteurs qu’il y a aujourd’hui. Je pense qu’avec ce que nous savons déjà, on peut développer beaucoup de technologie.»

Cependant, le physicien de Saint-Sébastien a clairement ce qui est le défi suivant: Le plus grand défi est d'expliquer le mécanisme théorique de la supraconductivité des cuprates. Ce chemin n'est pas épuisé. En fait, si nous vous disions une explication, vous pourriez comprendre comment augmenter la température. C'est pourquoi il a beaucoup d'intérêt. Beaucoup de gens ont essayé de l'expliquer et ont échoué. Mais il arrivera, je ne sais pas quand, mais il arrivera.»