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

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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...

Des chercheurs allemands ont observé un phénomène de supraconductivité dès -70 °C. Ils ont pour cela comprimé un échantillon de sulfure d’hydrogène à l’aide de diamants. © Thomas Hartmann

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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