Un aimant flotte au-dessus d'un cuprate en phase supraconductrice baignant dans de l'azote liquide. Les cuprates sont des supraconducteurs à haute température critique et ce sont, à l’heure actuelle, ceux qui présentent une supraconductivité aux plus hautes températures, environ 140 K. Ce sont les seuls matériaux qui sont supraconducteurs aux températures de l’azote liquide. Ils font partie des supraconducteurs non conventionnels, car on ne s'explique pas leur existence à l'aide de la théorie standard de la supraconductivité. © J. Adam Fenster, University of Rochester photo
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Enfin de la supraconductivité à température ambiante !

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À haute pression, l'hydrogène devient métallique. L'ajout d'atomes de soufre peut alors le transformer en matériau supraconducteur. On le savait déjà mais ce qui est nouveau est que des chercheurs ont réussi à obtenir aujourd'hui cet état à température presque ambiante, 15 °C, en lui ajoutant aussi du carbone. Seul bémol pour ce succès sans précédent avec un supraconducteur, le sulfure d'hydrogène carboné doit être maintenu à une pression de plusieurs millions d'atmosphères.

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[EN VIDÉO] 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. 

Imaginez un monde où les diagnostics médicaux précoces pour les cancers et les AVC obtenus avec un IRM soient aussi faciles à faire et répandus que ceux réalisés par échographie ou avec des radiographies classiques. Imaginez un monde où le transport de l'énergie électrique se fait sans perte -- ce qui aiderait à faire une transition écologique douce -- et où l'on peut rejoindre Pékin, par exemple, au départ de Kiev (en Ukraine) en seulement une heure grâce à des trains hypersoniques en lévitation magnétique circulant dans des tubes sous vide. Imaginez enfin un monde où des tokamaks comme Iter seraient aussi rendus plus performants grâce à des aimants révolutionnaires.

Un tel monde, où pourrait également avoir pris forme une nouvelle révolution dans le domaine de l'électronique avec des dispositifs moins gourmands en énergie et plus efficaces, serait possible si l'on découvrait des matériaux supraconducteurs à température et pression ambiante qui plus est, faciles et peu chers à fabriquer tout en étant mécaniquement et chimiquement robustes.

« Nous vivons dans une société des semi-conducteurs, et avec ce type de technologie, vous pouvez amener la société dans une société supraconductrice où vous n'aurez plus jamais besoin de choses comme des batteries », déclare à ce sujet Ashkan Salamat de l'université du Nevada à Las Vegas, coauteur avec Ranga Dias, de l'université de Rochester, et d'autres collègues, d'un article qui s'annonce retentissant et que vient juste de publier le journal Nature.

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 coréalisée avec L’Esprit Sorcier.© CEA Recherche

Supraconductivité à température ambiante, la piste du sulfure d'hydrogène

Les physiciens y annoncent en effet avoir obtenu une phase supraconductrice dans un simple composé à base de sulfure d'hydrogène H2S que l'on a mélangé avec du méthane CH4. Le record de température est battu puisque la température critique en dessous de laquelle on obtient cette phase, où l'électricité peut s'écouler sans résistance grâce à des effets quantiques, n'est que de 15 °C !

Mais tout n'est pas rose pour autant car les pressions nécessaires pour obtenir la supraconductivité sont de l'ordre de 2,6 millions d'atmosphères. Il ne s'agit donc pour le moment que d'une curiosité de laboratoire. On peut néanmoins penser que c'est un encouragement de plus pour aller sur la piste des supraconducteurs exotiques qui permettraient les révolutions technologiques dont on a parlé précédemment.

Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © University of Rochester

Cet exploit n'est pas complètement une surprise et il donne effectivement des espoirs supplémentaires. Pour le comprendre, rappelons tout d'abord que la supraconductivité a été découverte il y a plus de 100 ans, le 8 avril 1911. Elle a fasciné bien des physiciens, comme Vitaly Ginzburg et Pierre-Gilles de Gennes, et a donné lieu à l'attribution de plusieurs prix Nobel comme celui de Lev Landau.

Il se trouve qu'en 1935, un autre prix Nobel de physique d'origine hongroise, Eugene Wigner, avait sa fameuse prédiction de l'existence à hautes pressions d'une phase métallique de l'hydrogène, avec son collègue le physicien états-unien Hillard Bell Huntington. Dès la fin des années 1960, un célèbre physicien du solide, le britannique Neil William Ashcroft, arrive à la conclusion que, non seulement l'hydrogène métallique était peut-être un supraconducteur, mais qu'il pouvait le rester dans des conditions de températures et de pressions ambiantes car étant métastable.

Rappelons que le diamant est un exemple bien connu du phénomène de métastabilité car il s'obtient à partir du graphite porté initialement à de hautes pressions et des températures élevées, telles que celles régnant à plus de 150 kilomètres à l'intérieur de la Terre. Il reste cependant à l'état de diamant à la surface de la Terre même des milliards d'années après sa formation, à moins d'être à nouveau chauffé à hautes températures.

En 1935, le physicien Eugene Wigner prédisait qu’en portant l’hydrogène à très hautes pressions, il serait possible de le transformer en métal. Plus de 80 ans ont passé et le défi de l’hydrogène métallique a été relevé. Paul Loubeyre (CEA), Florent Occelli (CEA) et Paul Dumas (Synchrotron Soleil) espéraient y parvenir... comme plusieurs autres équipes à travers le monde. Un reportage d’Olivier Boulanger datant de 2017. © universcience.tv

En quête d'un supraconducteur métastable à température ambiante

Une quête de ce graal qu'est l'hydrogène métallique supraconducteur à température ambiante a été engagée depuis une certain temps et, en ce début d'année 2020, une étape significative sur cette route avait été atteinte comme Futura l’expliquait dans un précédent article au sujet de l'annonce faite de la réussite d'une équipe française composée de Paul Loubeyre et Florent Occelli, deux chercheurs du CEA (Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives) et de Paul Dumas, chercheur émérite de l'Institut de Chimie du CNRS, détaché au Synchrotron Soleil.

Leurs résultats, également publiés dans le journal scientifique Nature, concernaient en effet l'obtention d'une phase métallique de l'hydrogène pour la première fois et d'une façon qui apparaît incontestable aux trois chercheurs. Dans son interview, Florent Occelli nous avait expliqué à l'époque que, d'une part, lui et ses collègues avaient obtenu de l'hydrogène moléculaire et pas encore vraiment l'hydrogène métallique mais qu'en plus, ils n'en étaient pas encore à montrer qu'il était supraconducteur.

Quand nous lui avions demandé de confirmer qu'il existait bien des composés à base d'hydrogène qui sont supraconducteurs à hautes pressions, le physicien nous avait répondu : « Oui, comme le sulfure d'hydrogène (H2S) et notamment l'hydrure de lanthane (LaH10) mais ces composés ne sont pas métastables et ne restent donc pas supraconducteurs à pression ambiante. On a des raisons de penser qu'il faudrait au moins un composé binaire avec l'hydrogène, c'est-à-dire des hydrures métalliques avec au moins deux types d'éléments métalliques associés aux atomes d'hydrogène. C'est une voie de recherche actuellement explorée, d'autant plus que les hydrures déjà obtenus sont supraconducteurs à des pressions plus basses que celles de l'hydrogène métallique et qui sont aujourd'hui plutôt faciles à réaliser ».

Les physiciens états-uniens ont procédé comme dans le cas de leurs collègues français pour faire leur découverte, justement avec un composé binaire de l'hydrogène qu'ils ont comprimé à l'aide d'une presse à enclume de diamants.

Pour en savoir plus

La supraconductivité du sulfure d'hydrogène à 190 K pourrait s'expliquer

Article de Laurent Sacco publié le 25/04/2015

À haute pression, l'hydrogène devient métallique. L'ajout d'atomes de soufre peut alors le transformer en matériau supraconducteur, une propriété que le sulfure d'hydrogène semblait conserver jusqu'à la température de 190 kelvins. Ce qui laissait penser qu'il contenait peut-être la clé de l'énigme des cuprates. Mais ce n'est pas le cas...

Il y a presque 30 ans, lorsque les premiers supraconducteurs à haute température critique ont été découverts, on espérait que les progrès allaient être rapides tant sur le plan théorique que sur le plan pratique en direction de création de matériaux supraconducteurs à température ambiante. Malheureusement, les supraconducteurs exotiques que sont les cuprates gardent toujours jalousement leurs secrets. On sait toutefois que, contrairement aux supraconducteurs conventionnels, les paires de Cooper qui s'y forment ne prennent pas naissance selon un mécanisme bien compris dans le cadre de la théorie BCS.

Différentes stratégies sont en cours d'étude pour percer l'énigme des cuprates et on a entre-temps découvert d'autres types de supraconducteurs exotiques, comme ceux à fermions lourds. Le record de haute température attesté pour les cuprates est de 164 kelvins (K). Il faut toutefois exercer de hautes pressions pour obtenir ce résultat car, à pression ambiante, il n'est que de 133 K. Récemment, un groupe de chercheurs a obtenu un résultat intrigant en comprimant à 150 GPa du simple sulfure d’hydrogène (H2S).

Dans ce réseau cubique de H3S, les atomes d'hydrogène (en mauve) oscillent et sont responsables de l'existence de quanta d'excitation, que l'on appelle des phonons. Ils sont responsables de l'apparition d'une phase supraconductrice dans ce solide cristallisé. © Donostia International Physics Center

Le sulfure d'hydrogène imposerait des oscillateurs quantiques anharmoniques

Les théoriciens se sont bien sûr tout de suite penchés sur la question. Il s'agit d'un système physique simple et des températures critiques aussi élevées ne se rencontrent d'ordinaire qu'avec des supraconducteurs qui ne sont pas décrits par la théorie BCS. Il pouvait donc s'agir d'une fenêtre sur les mécanismes de la supraconductivité exotique. Mais une équipe internationale de chercheurs anglais, canadien, chinois, espagnol et français vient de publier sur arXiv un article qui suggère qu'il n'en est rien.

Pour atteindre cette conclusion, les physiciens ont, comme il se doit, utilisé les lois de la physique quantique. Ils ont commencé par établir que le sulfure d'hydrogène perdait sa stabilité sous haute pression et que le H2S devenait soit un matériau à base de HS2 soit un solide cristallin à base de H3S formant un réseau cubique (les deux composés prennent en fait une forme métallique aux hautes pressions étudiées). Ils ont ensuite montré que cette dernière forme était bien capable d'exhiber une phase supraconductrice à haute température critique au-dessus de 200 GPa.

Comme dans le cadre de la théorie BCS, les paires de Cooper se forment sous l'effet des interactions des électrons avec les phonons du réseau cristallin, c'est-à-dire les analogues des photons pour les ondes sonores dans les réseaux des solides cristallisés. Mais, dans le cas présent, le simple modèle d'un oscillateur harmonique pour décrire de petites vibrations des atomes d'hydrogène autour de leur position d'équilibre ne suffit plus. Il faut prendre en compte un modèle d'oscillateur plus complexe avec des vibrations qui sont dites anharmoniques.

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