En 1911, le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes fit une découverte qui allait bouleverser notre compréhension: à quelques degrés au-dessus du zéro absolu, le mercure perdait totalement sa résistance électrique. Cela signifiait que, dans les bonnes conditions, les courants électriques pouvaient voyager indéfiniment sans perte d’énergie en traversant la matière.
Les chercheurs se sont rapidement rendu compte que cette caractéristique, baptisée supraconductivité, ne se limitait pas au mercure. Des effets quantiques spécifiques permettent la supraconductivité, ce qui fait que d’autres éléments peuvent présenter ces propriétés sous les bonnes conditions. Finalement, les physiciens ont trouvé comment intégrer des matériaux supraconducteurs dans des fils et des aimants, ouvrant ainsi de nouvelles voies pour tester et exploiter des phénomènes quantiques surprenants. Par exemple, nos meilleurs ordinateurs quantiques et accélérateurs de particules dépendent des matériaux supraconducteurs pour fonctionner. Il n’est même pas nécessaire d’être physicien pour être proche d’un d’eux si l’on a déjà été exposé à un IRM.
Malheureusement, les supraconducteurs exigent encore des températures extrêmement basses pour fonctionner, ce qui complique les choses. Dans le domaine des ordinateurs quantiques, par exemple, la réduction du bruit et la correction d’erreurs restent un obstacle majeur nécessitant des températures proches du zéro Kelvin pour leurs qubits.
Naturellement, les scientifiques veulent augmenter le seuil de température des supraconducteurs—pour développer des «supraconducteurs à température ambiante», pour ainsi dire. Le jury n’a pas encore décidé sur la faisabilité, mais les chercheurs s’efforcent de trouver de nouvelles combinaisons et conceptions afin de pousser les supraconducteurs à des conditions plus chaudes. Et ils ont enregistré quelques progrès dans ce sens.
Pour ce Giz Asks, nous avons demandé à des chercheurs de proposer une analyse de l’état des lieux. Quel type de progrès la communauté a-t-elle réalisés récemment ? Quelles sont les candidates prometteuses pour des supraconducteurs à température ambiante (ou proches de ce régime) ? Quels défis restent à relever pour les chercheurs et comment les abordent-ils ? Les réponses ci-après ont peut-être été légèrement éditées pour la longueur et la clarté.
Hanyu Liu
Physicien, Laboratoire clé des méthodes et logiciels de simulation des matériaux du ministère de l’Éducation; Université de Jilin, Chine.
Au cours de la dernière décennie, la recherche sur les supraconducteurs a connu des avancées importantes, principalement stimulées par l’explosion des études sur les hydrures supraconducteurs sous haute pression. Malgré cela, les supraconducteurs pratiques à température ambiante restent loin de la réalité. La plupart de ces matériaux hydrides ne fonctionnent qu’à des pressions énormes, bien supérieures à la pression atmosphérique normale, ce qui les rend improbables pour une utilisation quotidienne. Il existe aussi des candidats prometteurs mais moins connus, notamment des composés à base de bore et des hydrides nouvellement découverts qui opèrent à des pressions relativement plus basses. Il est peu probable que nous obtienions dans les dix à quinze prochaines années un supraconducteur à pression ambiante pour l’électronique grand public. Ce que nous verrons sans doute plus tôt, c’est une utilisation plus large des supraconducteurs refroidis par azote à haute température pour les réseaux électriques et les équipements spécialisés, et non pour les appareils domestiques.
Liangzi Deng et Paul C. W. Chu
Physiciens, Université de Houston (UH). Deng et Chu ont contribué à des travaux récents publiés dans les Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) qui établissent un nouveau record de supraconductivité à pression ambiante.
La bonne nouvelle, c’est que nous progressons, mais «pratique» implique bien plus que d’atteindre une température de transition supraconductrice élevée (Tc). Le premier supraconducteur (YBCO) avec une Tc supérieure au point d’ébullition de l’azote liquide (77 K)—soit 93 K—a été découvert par Chu et ses collègues en 1987. Pendant de nombreuses années, certaines des températures les plus élevées ont été atteintes uniquement sous d’énormes pressions, ce qui rend ces états extrêmement difficiles à exploiter en dehors des laboratoires spécialisés. Un changement potentiellement important consiste à envisager la pression non comme une condition à maintenir indéfiniment, mais comme un outil de traitement: utiliser la pression pour créer un état souhaitable, puis trouver un moyen de maintenir cet état après que la pression est relâchée.
C’est l’idée derrière le protocole de «pressure-quench» récemment développé sur les supraconducteurs, dirigé par notre équipe à l’Université de Houston. Cette approche a déjà permis de conserver une supraconductivité renforcée par la pression dans FeSe à pression ambiante, suivie de phases supraconductrices induites par la pression dans d’autres matériaux tels que Bi0.5Sb1.5Te3. Plus récemment, le «pressure quenching» a porté la Tc supraconductrice à pression ambiante de HgBa₂Ca₃Cu₃O₈+δ à 151 K, dépassant ainsi le record précédent de 133 K qui tenait depuis plus de trois décennies.
Ceci ne signifie pas que des câbles d’alimentation ou des électroniques supraconductrices pratiques basées sur des matériaux soumis à presse sont pour demain. Les défis à venir sont considérables: rendre les états conservés plus thermiquement et temporellement stables, comprendre ce qui les stabilise réellement, augmenter la taille des échantillons, démontrer des procédés reproductibles et, en fin de compte, montrer des courants critiques utiles sous forme de fils, rubans ou films. Toutefois, la compression par pression change la question de manière intéressante. Au lieu de se demander seulement: « Jusqu’où peut-on pousser Tc sous pression ? », on peut désormais poser aussi: « Pouvons-nous ramener les propriétés créées par la pression avec nous ? » Si cette stratégie s’avère générale et évolutive, elle pourrait considérablement réduire l’écart entre des découvertes spectaculaires sous haute pression et des supraconducteurs réellement utilisables.
Zi-Kui Liu
Scientifique des matériaux, Université d’État de Pennsylvanie.
La supraconductivité a connu des progrès remarquables, y compris des démonstrations de températures de transition très élevées dans des matériaux riches en hydrogène sous des pressions extrêmement élevées. Toutefois, je resterais prudent quant à la prédiction d’un supraconducteur prêt à être utilisé à température ambiante ou près de celle-ci. Une Tc élevée ne suffit pas: un matériau utile doit aussi être stable à ou près de la pression ambiante, transporter des courants électriques et des champs magnétiques importants, être mécaniquement robuste, fabriquable à grande échelle et économiquement viable. À l’heure actuelle, je ne pense pas qu’il existe un matériau qui satisfasse simultanément ces exigences, donc je n’établirais pas de calendrier fiable pour des supraconducteurs grand public.
Une direction importante, à mes yeux, consiste à comprendre non pas seulement comment créer un état supraconducteur, mais comment la structure atomique et électronique peut protéger cet état contre les fluctuations thermiques. Dans nos travaux récents, nous avons proposé une configuration supraconductrice à symétrie brisée (SCC) et identifié des tunnels à une dimension droite (SODTs) dans la différence de densité de charge entre les configurations supraconductrice et normale. Nous avons retrouvé ces caractéristiques à la fois dans les supraconducteurs conventionnels et dans les supraconducteurs non conventionnels, y compris le YBCO. Dans le YBCO, nous avons suggéré qu’une structure en «ponton» en couches, avec des liaisons relativement faibles entre les couches supraconductrices et le bulk environnant, aide à protéger ces structures électroniques liées à la supraconductivité contre les perturbations thermiques et contribue ainsi à sa Tc relativement élevée.
Nous avons aussi déposé une demande de brevet provisoire, «Méthode d’identification et de prédiction de la supraconductivité basée sur les tunnels de densité de charge à symétrie brisée et les structures de ponton». Nous travaillons désormais à étendre ce cadre pour comprendre la stabilité thermodynamique de ces configurations à température finie à l’aide de notre théorie Zentropy et, finalement, l’utiliser pour la prédiction et la conception de nouveaux matériaux supraconducteurs.
Matt Julian et Rohit Prasankumar
Enterprise Science Fund, Intellectual Ventures. Aux côtés de Deng et Chu, Julian et Prasankumar ont coécrit l’article publié dans le PNAS qui a établi un nouveau record de supraconductivité à pression ambiante. Intellectual Ventures était le bailleur du projet.
Une supraconductivité à température ambiante et à pression ambiante peut sans doute être considérée comme l’un des plus grands défis non résolus de la physique de la matière condensée, avec le potentiel de transformer la société à l’échelle d’Internet ou de l’intelligence artificielle. Nous sommes assez optimistes que, malgré des revendications récusées récemment et les controverses en cours, nous sommes plus proches que jamais de réaliser des matériaux supraconducteurs pratiques et commercialisables pour ce type d’applications. Notre compréhension de la supraconductivité est plus profonde que jamais, et les outils disponibles pour l’appliquer—des techniques de fabrication avancées aux simulations primaires sur GPU—n’ont jamais été aussi puissants. Pourtant, comprendre et pouvoir faire seul ne suffisent pas pour y parvenir.
Il est tentant de considérer la prédiction comme une destination: si nous pouvons identifier par ordinateur un matériau candidat, soit par des calculs premiers complexes pleins de physique, soit par des méthodes statistiques intensives, la réussite semble à portée. Mais prédire un matériau supraconducteur ne suffit pas. Il faut prédire des supraconducteurs qui peuvent réellement être synthétisés et, pis encore, synthétiser ce que nous prédisons. Il faut aussi développer des méthodes pour augmenter prévisiblement la supraconductivité par un aménagement délibéré des caractéristiques structurelles et électroniques qui gouvernent ce comportement. Exploiter des matériaux qui affichent une supraconductivité non conventionnelle sera aussi une pièce critique pour atteindre la température ambiante. Il y a énormément de nuances, de complexité et de travaux de synthèse stimulants à mener dans chacun de ces objectifs. Pour les atteindre, il faut une créativité humaine issue de nombreuses traditions scientifiques travaillant de concert.
Passer de la découverte d’un supraconducteur à haute température à la découverte d’un supraconducteur à haute température pratique implique une complexité bien plus grande. Un matériau pratique devra être tiré en fils ou en rubans et enroulé, ou déposé sous forme de film ou de revêtement, ou devra être compatible avec les procédés des fonderies de semi-conducteurs. Chacun de ces formats présente des propriétés matérielles critiques différentes et il existe des défis importants pour les modéliser précisément dans le cas de matériaux réellement nouveaux. Nous devons donc surmonter le défi consistant à dépister «la praticabilité» sur le plan computationnel afin d’éviter la nécessité d’un nombre massif d’expériences complexes. Il faut ensuite trouver des moyens d’éviter le long cycle de développement de 20 ans entre la découverte d’un matériau et son adoption commerciale.
Notre chemin à suivre repose sur une approche intégrée et multidisciplinaire qui réunit des physiciens de la matière condensée, des chimistes, des scientifiques des matériaux, des expérimentateurs, des théoriciens et des ingénieurs computationnels dans une collaboration étroite. Il faut franchir les frontières disciplinaires, échanger les connaissances et construire des cadres communs pour lever non seulement les défis que nous comprenons déjà, mais aussi ceux qui restent insaisissables. Nous en savons plus que jamais, mais il reste tant à apprendre. L’opportunité est vaste, et cette incertitude est en réalité l’indication la plus claire que les plus grandes découvertes dans ce domaine restent encore à venir.
Giz Asks est une série récurrente de Gizmodo dans laquelle des experts répondent à de grandes questions avec leurs propres mots, offrant une variété de perspectives sur les idées, les découvertes et les débats qui touchent nos vies et façonnent notre compréhension du monde.
