La supraconductivité à température ambiante a été atteinte pour la première fois

L'équipement utilisé pour créer un supraconducteur à température ambiante, y compris une cellule à enclume en diamant (boîte bleue) et des réseaux laser, est représenté dans le laboratoire de Ranga Dias de l'Université de Rochester. Fenêtre d'Adam

Les supraconducteurs à température ambiante - des matériaux qui conduisent l'électricité avec une résistance nulle sans nécessiter de refroidissement spécial - sont le genre de miracle technologique qui bouleverserait la vie quotidienne. Ils pourraient révolutionner le réseau électrique et permettre la lévitation des trains, parmi de nombreuses autres applications potentielles. Mais jusqu'à présent, les supraconducteurs devaient être refroidis à des températures extrêmement basses, ce qui les limitait à une utilisation en tant que technologie de niche (bien qu'importante). Pendant des décennies, il a semblé que la supraconductivité à température ambiante pourrait être à jamais hors de portée , mais au cours des cinq dernières années, quelques groupes de recherche à travers le monde se sont lancés dans une course pour l'atteindre en laboratoire.

L'un d'eux vient de gagner.

Dans un article publié aujourd'hui dans Nature , les chercheurs rapportent avoir atteint la supraconductivité à température ambiante dans un composé contenant de l'hydrogène, du soufre et du carbone à des températures aussi élevées que 58 ° F (13,3 ° C ou 287,7 K). La température la plus élevée précédente avait été de 260 K, ou 8 ° F, atteinte par un groupe rival de l'Université George Washington et de la Carnegie Institution à Washington, DC, en 2018. (Un autre groupe de l'Institut Max Planck de chimie à Mayence, en Allemagne, a atteint 250 K, ou -9,7 ° F, à peu près à la même époque.) Comme les records précédents, le nouveau record a été atteint sous des pressions extrêmement élevées - environ deux millions et demi de fois supérieures à celle de l'air que nous respirons.

C'est un point de repère, explique José Flores-Livas, physicien informatique à l'Université Sapienza de Rome, qui crée des modèles qui expliquent la supraconductivité à haute température et n'a pas été directement impliqué dans les travaux. En quelques années, dit-il, nous sommes passés de 200 [K] à 250 et maintenant à 290. Je suis presque sûr que nous atteindrons 300.

Les courants électriques font circuler des charges électriques, le plus souvent constituées d'électrons. Les conducteurs comme les fils de cuivre ont beaucoup d'électrons faiblement liés. Lorsqu'un champ électrique est appliqué, ces électrons circulent relativement librement. Mais même les bons conducteurs comme le cuivre ont une résistance : ils chauffent lorsqu'ils transportent de l'électricité.

La supraconductivité - dans laquelle les électrons traversent un matériau sans résistance - semble impossible à première vue. C'est comme si on pouvait conduire à grande vitesse dans un centre-ville encombré, sans jamais heurter un feu de circulation. Mais en 1911, le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes a découvert que le mercure devient un supraconducteur lorsqu'il est refroidi à quelques degrés au-dessus du zéro absolu (environ -460 °F ou -273 °C). Il a rapidement observé le phénomène dans d'autres métaux comme l'étain et le plomb.

Pendant de nombreuses décennies, la supraconductivité n'a été créée qu'à des températures extrêmement basses. Puis, à la fin de 1986 et au début de 1987, un groupe de chercheurs du laboratoire d'IBM à Zurich a découvert que certains oxydes céramiques peuvent être supraconducteurs à des températures aussi élevées que 92 K, surtout au-dessus de la température d'ébullition de l'azote liquide, qui est de 77 K. Cela a transformé l'étude de la supraconductivité et de ses applications dans des domaines tels que les IRM hospitaliers, car l'azote liquide est bon marché et facile à manipuler. (L'hélium liquide, bien que plus froid, est beaucoup plus capricieux et cher .) L'énorme bond en avant dans les années 1980 a conduit à des spéculations fiévreuses sur le fait que la supraconductivité à température ambiante pourrait être possible. Mais ce rêve s'était révélé insaisissable jusqu'à la recherche rapportée aujourd'hui.

Sous pression

Une façon dont les supraconducteurs fonctionnent est lorsque les électrons qui les traversent sont couplés à des phonons - des vibrations dans le réseau d'atomes dont le matériau est fait. Le fait que les deux soient synchronisés, selon les théoriciens, permet aux électrons de circuler sans résistance. Les basses températures peuvent créer les circonstances pour que de telles paires se forment dans une grande variété de matériaux. En 1968, Neil Ashcroft, de l'Université Cornell, a postulé que sous de fortes pressions, l'hydrogène serait aussi un supraconducteur . En forçant les atomes à se regrouper étroitement, les hautes pressions modifient le comportement des électrons et, dans certaines circonstances, permettent la formation de paires électron-phonon.

Les scientifiques ont cherché pendant des décennies à comprendre exactement quelles étaient ces circonstances et à déterminer quels autres éléments pourraient être mélangés à l'hydrogène pour atteindre la supraconductivité à des températures progressivement plus élevées et des pressions plus basses.

Dans les travaux rapportés dans l'article d'aujourd'hui, des chercheurs de l'Université de Rochester et leurs collègues ont d'abord mélangé du carbone et du soufre dans un rapport de un pour un, broyé le mélange en petites boules, puis pressé ces boules entre deux diamants tout en injectant de l'hydrogène gazeux. . Un laser a braqué le composé pendant plusieurs heures pour rompre les liaisons entre les atomes de soufre, modifiant ainsi la chimie du système et le comportement des électrons dans l'échantillon. Le cristal résultant n'est pas stable à basse pression, mais il est supraconducteur. Il est également très petit - sous les hautes pressions auxquelles il est supraconducteur, il mesure environ 30 millionièmes de mètre de diamètre.

Les détails exacts de Pourquoi ce composé fonctionne n'est pas entièrement compris - les chercheurs ne savent même pas exactement quel composé ils ont fabriqué. Mais ils développent de nouveaux outils pour comprendre ce que c'est et sont optimistes qu'une fois qu'ils seront en mesure de le faire, ils pourront modifier la composition afin que le composé puisse rester supraconducteur même à des pressions plus basses.

Descendre à 100 gigapascals, soit environ la moitié des pressions utilisées dans l'article Nature d'aujourd'hui, permettrait de commencer à industrialiser de très petits capteurs à très haute résolution, spécule Flores-Livas. Des capteurs magnétiques précis sont utilisés dans la prospection minière et également pour détecter le déclenchement des neurones dans le cerveau humain, ainsi que dans la fabrication de nouveaux matériaux pour le stockage de données. Un capteur magnétique précis et peu coûteux est le type de technologie qui n'a pas l'air sexy en soi, mais qui en rend beaucoup d'autres possibles.

Et si ces matériaux pouvaient passer de minuscules cristaux sous pression à des tailles plus grandes qui fonctionnent non seulement à température ambiante mais aussi à pression ambiante, ce serait le début d'un changement technologique encore plus profond. Ralph Scheicher, modélisateur informatique à l'Université d'Uppsala en Suède, dit qu'il ne serait pas surpris si cela se produisait au cours de la prochaine décennie.

La résistance est futile

Les modes de production, de transport et de distribution de l'électricité seraient fondamentalement transformés par des supraconducteurs à température ambiante bon marché et efficaces de plus de quelques millionièmes de mètre. Environ 5% de l'électricité produite aux États-Unis est perdu dans la transmission et la distribution , selon l'Energy Information Administration. L'élimination de cette perte permettrait, pour commencer, d'économiser des milliards de dollars et aurait un impact significatif sur le climat. Mais les supraconducteurs à température ambiante ne changeraient pas seulement le système que nous avons, ils permettraient un tout nouveau système. Les transformateurs, qui sont cruciaux pour le réseau électrique, pourraient être plus petits, moins chers et plus efficaces. Il en va de même pour les moteurs électriques et les générateurs. Le stockage d'énergie supraconducteur est actuellement utilisé pour lisser les fluctuations à court terme du réseau électrique, mais il reste encore relativement de niche car il faut beaucoup d'énergie pour maintenir les supraconducteurs au froid. Les supraconducteurs à température ambiante, en particulier s'ils pouvaient être conçus pour résister à des champs magnétiques puissants, pourraient constituer un moyen très efficace de stocker de plus grandes quantités d'énergie. pendant de plus longues périodes , rendant plus efficaces les sources d'énergie renouvelables mais intermittentes telles que les éoliennes ou les cellules solaires.

Et parce que l'électricité qui coule crée des champs magnétiques, les supraconducteurs peuvent également être utilisés pour créer de puissants aimants pour des applications aussi diverses que les appareils IRM et les trains en lévitation. Les supraconducteurs ont également une grande importance potentielle dans le domaine naissant de l'informatique quantique. Les qubits supraconducteurs sont déjà à la base de certains des ordinateurs quantiques les plus puissants au monde. Être capable de créer de tels qubits sans avoir à les refroidir rendrait non seulement les ordinateurs quantiques plus simples, plus petits et moins chers, mais pourrait conduire à des progrès plus rapides dans la création de systèmes de nombreux qubits, en fonction des propriétés exactes des supraconducteurs créés. .

Toutes ces applications sont en principe réalisables avec des supraconducteurs qui doivent être refroidis à basse température pour fonctionner. Mais si vous devez les refroidir si radicalement, vous perdez une grande partie, voire la totalité, des avantages que vous tirez de l'absence de résistance électrique. Cela les rend également plus compliqués, coûteux et sujets à l'échec.

Il reste à voir si les scientifiques peuvent concevoir des composés stables supraconducteurs non seulement à température ambiante, mais également à pression ambiante. Mais les chercheurs sont optimistes. Ils concluent leur article avec cette affirmation alléchante : un matériau supraconducteur robuste à température ambiante qui transformera l'économie d'énergie, le traitement et la détection de l'information quantique peut être réalisable.

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