La supraconductivité à température ambiante enfin comprise

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| J. Adam Fenster/University of Rochester
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Depuis 40 ans, une famille de cristaux pose une énigme aux physiciens de par sa capacité à « supraconduire » — transporter un courant électrique sans aucune résistance — à des températures bien plus élevées que d’autres matériaux. Récemment, des chercheurs ont développé de nouvelles techniques de microscopie pour élucider le mystère de ces supraconducteurs. Leur découverte pourrait ouvrir la voie au développement de matériaux à température ambiante et révolutionner l’approvisionnement électrique.

La supraconductivité est un état étonnant de la matière en physique quantique. Le courant passe dans un supraconducteur sans aucune dissipation et la résistance s’annule complètement. Aucune dissipation signifie aucune perte d’énergie, et le « super courant », une fois installé dans la boucle fermée d’un supraconducteur, peut durer indéfiniment. À très basse température, les électrons à l’intérieur s’associent en paires, les paires de Cooper.

Il faut rappeler qu’une paire d’électrons se repousse normalement, car ils ont des charges négatives similaires. Dans un supraconducteur, l’interaction entre électrons peut devenir attractive, selon une règle de mécanique quantique différente. Comprendre pourquoi les électrons décident de s’apparier dans certains matériaux et pas dans d’autres est le grand défi pour créer de nouveaux matériaux supraconducteurs à température ambiante.

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Certes, en 1986 les supraconducteurs à base d’oxyde de cuivre ont été découverts — comme le souligne la professeure Amalia Coldea, qui dirige le groupe Quantum Matter in High Magnetic Fields à Oxford, mais ce n’est que maintenant que certains de ces cuprates ont atteint leur potentiel de fabrication pour être utilisés dans des aimants puissants. Ils sont constitués de feuilles de cuivre et d’oxygène intercalées entre des couches d’autres éléments. Elle ajoute : « La supraconductivité à température ambiante est le Saint Graal et, une fois réalisable à grande échelle, aura une myriade d’applications pratiques ».

Récemment, une équipe internationale de chercheurs dirigée par Séamus Davis, professeur de physique quantique à l’Université College Cork et à l’Université d’Oxford, a annoncé des résultats qui révèlent le mécanisme atomique derrière les supraconducteurs à haute température. Les résultats sont publiés dans la revue PNAS.

Température ambiante, clé d’une utilisation généralisée

Comme mentionné précédemment, les supraconducteurs sont des matériaux qui peuvent conduire l’électricité avec une résistance nulle, de sorte qu’un courant électrique peut persister indéfiniment, ne se dissipant pas. Ceux-ci sont déjà utilisés dans diverses applications, notamment les scanners IRM, mais nécessitent des températures extrêmement basses.

Néanmoins, certains supraconducteurs peuvent fonctionner à des températures plus élevées, comme les oxydes de cuivre (cuprates). Pour les étudier, l’équipe de recherche a, dans un premier temps, créé un cuprate particulier appelé oxyde de cuivre bismuth strontium calcium (BSCCO), dont les couches d’atomes de cuivre et d’oxygène sont comprimées en un motif ondulé, faisant varier les distances entre atomes.

Dans un second temps, ils ont développé deux nouvelles techniques de microscopie. La première mesure la différence d’énergie entre les orbitales des atomes de cuivre et d’oxygène, en fonction de leur emplacement.

Il faut savoir que contrairement aux planètes en orbite autour du Soleil, les électrons ne peuvent pas être à une distance arbitraire du noyau ; ils ne peuvent exister qu’à certains endroits spécifiques appelés orbites autorisées. Ainsi, en mécanique quantique, une orbitale atomique est une fonction mathématique qui décrit le comportement ondulatoire d’un électron ou d’une paire d’électrons, autour du noyau d’un atome, en donnant sa probabilité de présence à un endroit.

Mesurer la différence entre ces orbitales découle de la théorie associée aux supraconducteurs, le phénomène quantique étant appelé superéchange. Il s’agit d’une force résultant de la capacité des électrons à sauter entre les orbitales atomiques, afin d’avoir un état d’énergie plus faible. Certaines pointent vers le bas et d’autres vers le haut, tout en restant autour du noyau. De cette manière, le superéchange établit un schéma régulier d’électrons dans certains matériaux, en les incitant à rester à une certaine distance les uns des autres, sans être trop éloignés. C’est cette attraction efficace qui pourrait former de solides paires de Cooper.

La deuxième méthode mesure l’amplitude de la fonction d’onde de la paire d’électrons (la force de la supraconductivité) de chaque atome d’oxygène et chaque atome de cuivre.

Le professeur Davis déclare dans un communiqué : « En visualisant la force de la supraconductivité en fonction des différences entre les énergies orbitales, nous avons pu pour la première fois mesurer avec précision la relation requise pour valider ou invalider l’une des principales théories de la supraconductivité à haute température, à l’échelle atomique ».

Comme prédit par la théorie, les résultats ont montré une relation inverse quantitative entre la différence d’énergie de transfert de charge entre les atomes d’oxygène et de cuivre adjacents et la force de la supraconductivité. Plus il est facile, pour les électrons, de sauter d’un emplacement à l’autre, entre les atomes de cuivre et d’oxygène dans un cuprate donné, plus la température critique de celui-ci est élevée, et sa supraconductivité est forte.

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Balayages atome par atome d’un cristal de BSCCO. Dans les zones où les électrons ont besoin de plus d’énergie pour sauter entre les atomes voisins (bandes rose vif espacées de 2,6 nanomètres, à gauche), les électrons forment moins de paires de Cooper supraconductrices (bandes sombres, à droite). © S. Davis et al., 2022

Applications pour un futur énergétique prospère

Selon l’équipe de recherche, co-dirigée par Shane O’Mahony de l’University College Cork, cette découverte pourrait constituer une étape historique vers le développement de supraconducteurs à température ambiante.

En effet, ceux-ci pourraient avoir des applications de grande envergure comme des trains Maglev (ou train à lévitation magnétique). Ces derniers utilisent une méthode de propulsion basée sur des aimants plutôt que sur des roues, des essieux et des roulements. Concrètement, un véhicule est mis en lévitation à une courte distance d’une voie de guidage en utilisant des aimants pour créer à la fois une portance et une poussée, étant donné que comme les aimants ordinaires, les aimants supraconducteurs se repoussent lorsque les pôles correspondants se font face.

Cette découverte pourrait également être utilisée pour des réacteurs à fusion nucléaire, des ordinateurs quantiques et des accélérateurs de particules à haute énergie, mais aussi au niveau du transfert et du stockage d’énergie super efficaces.

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Les auteurs expliquent que dans les matériaux supraconducteurs, la résistance électrique est minimisée, car les électrons qui transportent le courant sont liés dans les paires de Cooper stables. Dans les supraconducteurs à basse température, les paires de Cooper sont maintenues ensemble par des vibrations thermiques, mais à des températures plus élevées, elles deviennent trop instables.

Ces nouveaux résultats démontrent que, dans les supraconducteurs à haute température, les paires de Cooper sont plutôt maintenues ensemble par des interactions magnétiques, les paires d’électrons se liant via une communication quantique à travers l’atome d’oxygène intermédiaire.

Le professeur Davis conclut : « Cela a été l’un des Saint Graal des problèmes de recherche en physique pendant près de 40 ans. Beaucoup de gens pensent que des supraconducteurs à température ambiante bon marché et facilement disponibles seraient aussi révolutionnaires pour la civilisation humaine que l’introduction de l’électricité elle-même ».

Source : PNAS

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