Des matériaux à base de graphite qui seraient supraconducteurs à température ambiante : voilà une perspective fascinante. Une équipe de chercheurs est sur la piste et pense avoir mesuré la température critique d'apparition de ce phénomène, qui reste à démontrer, dans du graphite naturel.
Supraconductivité : les secrets de la lévitation quantique Difficile de ne pas éprouver une fascination envers la supraconductivité. Cette propriété quantique qui, entre autres prouesses, fait léviter les objets, est aujourd’hui au centre d’un grand nombre de recherches de pointe. Voici en vidéo un aperçu des plus belles lévitations quantiques.
Le graphite de nos pointes de crayons semble banal. Il a pourtant peut-être permis de poser les bases d'une révolution technologique grâce au graphène, qui en est issu. Se pourrait-il qu'une seconde révolution attende elle aussi son heure avec cette forme cristalline particulière du carbone ?
Depuis environ 40 ans, en effet, plusieurs chercheurs pensent avoir découvert des indices d'une phase supraconductrice du graphite dans certaines expériences. Des travaux théoriques suggèrent que c'est bel et bien possible. En 2012, une équipe de physiciens de l'université de Leipzig avait annoncé avoir découvert de nouvelles indications de l'apparition de la supraconductivité dans le graphite. Quelques-uns de ces chercheurs publient aujourd'hui les résultats de travaux qui vont dans le même sens dans un article déposé sur arXiv.
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Un champ magnétique qui supprime la supraconductivité
Il y a toutefois une nouveauté. Tout en continuant, selon eux, à observer l'apparition d'un état supraconducteur, ces physiciens pensent être parvenus à préciser la température critique du changement de phase à laquelle le phénomène peut se manifester. Ils ont en effet mesuré une brusque diminution de la résistance du graphite en dessous de 350 kelvins, soit environ 77 °C ! L'effet disparaît quand on plonge l'échantillon de graphite naturel, en provenance d'une mine brésilienne, dans un champ magnétique. Cela s'accorde bien avec l'idée de l'apparition d'un état supraconducteur.
En tout état de cause, la prudence continue à s'imposer, il est nécessaire d'avoir une confirmation de ce phénomène par d'autres équipes avant de rêver à des supraconducteurs à température ambiante à base de graphite.
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Le graphite contient-il la clé de supraconductivité à température ambiante ?
Article de Laurent Sacco publié le 21/09/2012
Comme l'avoue lui-même l'un des auteurs de l'article publié dans Advanced Materials, cela semble de la science-fiction : du graphite convenablement préparé exhibe des signes d'un état supraconducteur jusqu'à une température d'au moins... 130 °C ! Il manque encore des éléments pour affirmer qu'il s'agit bien d'un supraconducteur à température ambiante. Mais si tel était le cas, une révolution technologique serait en marche.
Les trains hypersoniques dans des tubes sous vide, des « vactrains », permettant par exemple d'effectuer un trajet Kiev-Pékin en 1 heure, vont-ils finalement devenir une réalité ? On peut l'espérer, si la découverte insolite faite par des chercheurs de l'université de Leipzig venait à être confirmée.
Depuis la découverte des cuprates en 1986, l'espoir d'obtenir un supraconducteur à température ambiante hante l'esprit des physiciens du solide et des ingénieurs dans bon nombre de laboratoires du monde. Avec un tel supraconducteur non conventionnel, on pourrait obtenir des champs magnétiques intenses sans avoir besoin de refroidir des aimants avec de l'azote ou de l'hélium liquide, comme c'est le cas au LHC. Des moteurs électriques puissants, compacts et sans pertes pourraient être créés, ainsi qu'une toute nouvelle électronique. Toujours dans le registre des transports, on a même proposé des turboréacteurs écologiques à supraconducteurs et un lanceur spatial par lévitation magnétique.
On pense aussi à l'impact que de tels supraconducteurs auraient sur un type de propulseur spatial à plasma, le Vasimir, acronyme de Variable specific impulse magnetoplasma rocket : « Fusée magnétoplasma à impulsion spécifique variable », qui utilise des champs et des rayonnements électromagnétiques variables (sans électrodes) pour chauffer, ioniser et accélérer un propergol vaporisé (hydrogène argon ou hélium). Les missions habitées à destination de Mars seraient grandement facilitées car cela diviserait par 2 la durée des trajets (3 mois au lieu de 6) et par 4 la durée de mission (7 mois au lieu de 30).
Un nombre incalculable d'applications imprévues et révolutionnaires, y compris en neurosciences, pourraient sans doute émerger, et dont l'exposition Supradesign nous a déjà donné un aperçu.
Cette vidéo explique simplement, en images animées avec l'aide de la "Petite Voix", ce qu'est le phénomène de supraconductivité et les propriétés des matériaux supraconducteurs : absence de résistance électrique, phénomène de lévitation... Une vidéo co-réalisée avec L’Esprit Sorcier. © CEA Recherche
Mais qu'ont donc trouvé les auteurs de l'article publié dans le journal Advanced Materials (en accès libre sur arxiv) ?
On savait déjà que le graphite pouvait devenir supraconducteur quand il est dopé avec d'autres éléments. De cette façon, des composés d'insertion du graphite sont obtenus, appelés aussi composés d'intercalation du graphite, qui sont des matériaux complexes avec une formule générale X-Cy où X est un élément chimique ou une molécule insérée, intercalée entre les couches de graphène. Le composé d'insertion du graphite qui est supraconducteur est le calcium-graphite Ca-C6. Ce n'est cependant pas un supraconducteur à haute température critique puisque celle-ci est de seulement 11,5 kelvins.
Un supraconducteur à la température de l'eau bouillante ?
Toutefois, les chercheurs de l'université de Leipzig soupçonnaient de meilleures possibilités avec le graphite car un état supraconducteur avait déjà été observé à plus de 100 kelvins à des interfaces entre deux types de matériaux dont l'un est du graphite pyrolytique. Ils ont commencé par placer 100 milligrammes de poudre de graphite dans 20 millilitres d'eau distillée et ils ont agité le tout pendant 23 heures avant de filtrer la poudre pour la dessécher ensuite pendant une nuit en la portant à une température de 100 °C. Le produit obtenu a été placé dans un champ magnétique. Une légère aimantation rémanente a été mesurée après que le champ magnétique a été coupé.
À ce stade, il pouvait s'agir soit d'une manifestation du ferromagnétisme ordinaire, soit d'un état supraconducteur. Les physiciens ont voulu tester cette hypothèse en faisant varier l'intensité du champ magnétique et la température de la poudre dans les expériences. Les courbes qu'ils ont obtenues sont similaires à celles observées avec des supraconducteurs à hautes températures critiques, les fameux cuprates.
Les chercheurs gardent toutefois la tête froide même s'il semble que l'état supraconducteur supposé persiste jusqu'à 130 °C et qu'en extrapolant les courbes, il pourrait bien se maintenir jusqu'à plus de 600 °C. En effet, ils n'ont pas encore pu mettre en évidence une annulation de la résistance à la conduction de l'électricité, la preuve indiscutable de la présence d'un état supraconducteur, car un test est pour le moment difficile à mettre en œuvre.
Bien que spectaculaire, cette annonce doit donc être prise avec des pincettes. C'est aussi ce que pense Julien Bobroff, professeur à l'université Paris Sud et chercheur au laboratoire de Physique des solides (CNRS et université Paris Sud). Selon lui, comme il l'a a confié à Futura-Sciences : « ce sont des résultats très surprenants et il manque une confirmation pour les prendre complètement au sérieux, car il n'y a que des mesures magnétiques alors que la supraconductivité implique aussi des mesures électriques montrant une résistance nulle. De plus, le fait que jusqu'à plus de 100 °C, l'anomalie observée subsiste me semble aussi très étonnant. Si ces résultats étaient cependant confirmés et complétés par les mesures de résistance nulle, alors ce serait une véritable surprise très prometteuse. Mais je crois qu'il faut pour l'instant être très très prudent ».