Un aimant flotte au-dessus d'un cuprate en phase supraconductrice baignant dans de l'azote liquide. © Wikimedia Commons, Mai-Linh Doan

Sciences

Nouveau record de supraconductivité à haute température

ActualitéClassé sous :supraconducteur , sulfure d'hydrogène , température critique

Une équipe de chercheurs vient de battre le record de haute température pour l'apparition d'une phase supraconductrice, et qui plus est dans un supraconducteur conventionnel décrit par la théorie BCS : -23 °C. Il s'agissait en fait d'une prédiction théorique concernant le comportement de certains hydrures à très hautes pressions.

Les défis auxquels l'Humanité est confrontée en ce XXIe siècle sont si immenses, et quelque peu déprimants, que nous aurions bien besoin de la découverte de technologies de ruptures, essentiellement dans le domaine de l'énergie. On rêve ainsi de pouvoir conduire l'électricité sans aucune perte sur de longues distances, ce qui équivaut à la découverte de matériaux supraconducteurs à température ambiante.

De grands espoirs à cet égard sont nés, en 1986, quand nous avons fait la découverte de la supraconductivité à haute température dans des céramiques particulières, les cuprates. Hélas, pour le moment, rien de miraculeux n'est sorti du domaine de recherche ouvert par cette percée. Nous devons toujours utiliser de l'azote liquide pour refroidir les supraconducteurs exotiques manifestant ce type de supraconductivité, qui n'a toujours pas vraiment d'explication dans le cadre de la fameuse théorie BCS, valable pour les supraconducteurs ordinaires.

Certes, en 2014, le plus long câble supraconducteur du monde a été inauguré dans la ville allemande d'Essen (Ruhr). Long d'environ un kilomètre, ce câble coaxial triphasé de 10 kV, refroidi à l'azote liquide, relie deux postes transformateurs et peut transporter 40 mégawatts. Sa capacité de transport d'électricité est cinq fois supérieure à celle d'un câble en cuivre de même section, et ce avec des pertes par effet Joule bien moindres. Mais cela reste une curiosité difficilement généralisable et nécessitant toujours de basses températures.

Or, il y a quelques jours, le physicien Mikhail Eremets et ses collègues de l'Institut Max-Planck de chimie à Mayence, en Allemagne, ont déposé sur arXiv un article faisant état d'une découverte étonnante. Eremets et ses collègues disent avoir observé dans un hydrure de lanthane (LaH10) des signes de l'apparition d'une phase supraconductrice à 250 kelvins, soit -23 °C.

Mikhail Eremets explique ses travaux sur les supraconducteurs. 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 ». © Max-Planck Institut für Chemie

Des supraconducteurs à température ambiante à portée de main ?

Il n'est pas rare d'avoir, de temps en temps, des annonces concernant des records de températures pour des supraconducteurs, voire même celle d'un état supraconducteur à température ambiante mais, souvent, elles ne sont pas confirmées ou elles concernent des conditions physiques exotiques que l'on ne peut reproduire dans la vie de tous les jours. Mais Mikhail Eremets n'est pas n'importe qui, comme le montre le précédent article de Futura, ci-dessous, sur le même sujet.

Mikhail Eremets fait partie de la célèbre et prestigieuse école russe dans le domaine de la physique des matériaux et des hautes pressions. Expérimentateur de talent, il a déjà contribué à vérifier les prédictions théoriques extraordinaires d'un autre talent de la science russe il y a quelques années, Artem Oganov. Nous avons donc toutes les raisons de prendre au sérieux sa découverte et celle de ses collègues.

Toutefois, les signes d'un état supraconducteur apparaissent dans l'hydrure de lanthane lorsqu'il est soumis à une pression de 170 gigapascals, soit environ la moitié de la pression régnant au centre de la Terre. Ce qui fait le prix de ce nouveau record de température, avec un supraconducteur, c'est que l'on s'y attendait pour des raisons théoriques. La théorie BCS, complétée par celle dite de Migdal-Eliashberg, laissait penser qu'on l'on aurait un état supraconducteur à hautes températures en atteignant une pression élevée avec ce type de composé, et elle prédit même que des températures ordinaires pourraient être atteignables.

L'idée, déjà expliquée dans notre précédent article, avec le sulfure d'hydrogène, et que les paires de Cooper qui se forment dans ce genre de matériau peuvent résister à de hautes températures qui normalement les détruiraient seulement parce que le réseau cristallin de ce type de matériau peut vibrer à hautes fréquences, sous forme de phonons. Mais ce n'est possible que si une forte pression empêche le réseau d'être détruit par ces hautes fréquences.

Les recherches vont donc se poursuivre, déjà pour voir s'il est bien possible d'atteindre une phase supraconductrice à température ambiante, mais aussi dans l'espoir de trouver des indications pour obtenir un matériau qui la manifesterait dans des conditions ordinaires.

  • Dans leur quête pour obtenir des matériaux supraconducteurs à température ambiante, les physiciens rencontrent quelques succès inattendus initialement avec des supraconducteurs ordinaires, mais il faut pour cela qu'ils soient soumis à de très hautes pressions.
  • Des travaux conduits dans le cadre de la théorie standard de la supraconductivité, qui semble insuffisante pour les cuprates, les supraconducteurs à hautes températures critiques expliquent bien le comportement d'hydrure de soufre et de lanthane qui ont permis de battre des records de hautes températures.
Pour en savoir plus

Record : du sulfure d’hydrogène devient supraconducteur dès -70 °C

Article de Nathalie Mayer publié le 17/08/2015

Pour devenir supraconducteur, un matériau doit être placé dans des conditions de températures extrêmement basses. Une hypothèse que des chercheurs allemands viennent de renverser. Ils ont en effet observé le phénomène de supraconductivité dans du sulfure d'hydrogène dès -70 °C. Il faut cependant une pression vraiment très élevée...

La nouvelle est publiée dans le dernier numéro de la revue Nature : des chercheurs allemands de l'institut Max Planck pour la Chimie, en collaboration avec des chercheurs de l'université de Mayence, ont confirmé que le sulfure d’hydrogène (H2S) perdait toute résistance électrique dès -70 °C. Pour observer cette supraconductivité, il est toutefois nécessaire d'appliquer au matériau une pression de 1,5 million de bars ! C'est tout de même la première fois qu'une expérience révèle ce que la théorie avait déjà prédit : il existe bien des supraconducteurs conventionnels dont les températures critiques sont élevées. « Nos expériences laissent même espérer qu'il en existe à température ambiante », s'enthousiasme Mikhael Eremets, physicien à l'institut Max Planck.

Rappelons qu'un matériau est qualifié de supraconducteur lorsque sa résistance électrique devient nulle. Et cela se produit en général à des températures extrêmement basses. Pour le mercure, par exemple, on parle d'une température critique, celle à partir de laquelle il devient parfaitement conducteur, de quelque 4,2 kelvins soit près de -270 °C. Selon la théorie baptisée BCS, la supraconductivité est le résultat de la formation, par interaction avec les vibrations du réseau cristallin, de paires d'électrons dites de Cooper qui peuvent se déplacer au sein du solide sans aucun frottement. Mais, si cette théorie rend plutôt bien compte de la supraconductivité conventionnelle, elle échoue à expliquer l'existence de supraconducteurs dits à haute température critique. Les cuprates, en effet, perdent leur résistance électrique autour des 80 kelvins (environ -193 °C). Et un record de température critique pour ces matériaux non conventionnels a même été fixé à -140 °C sous pression atmosphérique et à -109 °C sous haute pression.

Ces contraintes de température limitent les applications à notre vie quotidienne. Mais les promesses sont belles. Grâce à des réseaux supraconducteurs, il deviendrait possible de transporter de l'électricité avec des lignes à basse tension, sans perte d'énergie par effet Joule. Appliquée aux circuits intégrés, la supraconductivité permettrait aussi de réduire la consommation électrique de nos appareils, notamment portables. Et, comme un supraconducteur repousse aussi les lignes de champ magnétique d'un aimant que l'on tente d'approcher, il deviendrait possible de mettre en œuvre des systèmes de lévitation extraordinairement efficaces. Mais nous n'en sommes pas encore tout à fait là.

Les boules puantes libèrent du sulfure d’hydrogène, un gaz à l’odeur nauséabonde d’œuf pourri. © Cornischong, Wikipedia, CC by-sa 3.0

Le rêve de la supraconduction à température ambiante

Pour appliquer au H2S la pression suffisante à le rendre supraconducteur à une température relativement élevée, les chercheurs allemands ont utilisé des chambres à pression spécialement imaginées pour l'expérience. D'un volume inférieur à 1 cm3, elles sont munies de deux pointes en diamant qui permettent de compresser l'échantillon de façon continue.

Selon les chercheurs de l'institut Max Planck, si H2S devient supraconducteur à seulement -70 °C, c'est essentiellement grâce à sa concentration en hydrogène. Les atomes d'hydrogène, en effet, grâce à leur légèreté, vibrent dans le réseau cristallin avec une fréquence plus élevée que tous les autres atomes. Et, comme ces vibrations sont à l'origine de la supraconductivité conventionnelle, on imagine bien que plus celles-ci sont rapides, plus la température critique est élevée. Si on ajoute à cela que la force des liaisons entre les atomes influe elle aussi sur la température critique, on comprend mieux pourquoi les chercheurs allemands se sont intéressés au H2S.

Il est à noter qu'appliquer une pression supérieure au sulfure d'hydrogène ne suffit pas à augmenter encore plus sa température critique. Car la théorie prévoit alors une modification de la structure électronique et les expériences allemandes ont prouvé que la température critique a alors tendance à lentement diminuer.

Les chercheurs allemands travaillent déjà à trouver d'autres matériaux supraconducteurs à des températures plus élevées. Et pourquoi pas à température ambiante ? « Un candidat idéal serait bien sûr l'hydrogène pur », avance Mikhael Eremets. Mais il faudrait, en théorie, lui appliquer des pressions allant jusqu'à 4 millions de bars. Alors les recherches s'orientent plutôt vers des polymères ou d'autres matériaux riches en hydrogène avec pour objectif de faire de ces nouveaux supraconducteurs les supports d'applications à grande échelle.

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