Le record de supraconductivité à haute température a de nouveau été battu

La supraconductivité est le phénomène étrange de résistance électrique nulle qui se produit lorsque certains matériaux sont refroidis en dessous d'une température critique. Les meilleurs supraconducteurs doivent être refroidis avec de l'hélium liquide ou de l'azote pour refroidir suffisamment (souvent aussi bas que -250 ° C ou -480 F) pour fonctionner. Le Saint Graal pour les chercheurs est l'idée qu'un matériau pourrait être rendu supraconducteur à environ 0 ° C - ce que l'on appelle la supraconductivité à température ambiante. Si jamais une telle chose était découverte, elle libérerait un large éventail de nouvelles technologies, y compris des ordinateurs ultra-rapides et le transfert de données.

L'histoire de la supraconductivité est parsemée d'affirmations douteuses d'activité à haute température qui s'avèrent plus tard impossibles à reproduire. En effet, les physiciens ont un nom pour cela : les USO, ou objets supraconducteurs non identifiés.

Les nouvelles revendications de supraconductivité à haute température doivent donc être traitées avec prudence. Cela dit, la nouvelle d'aujourd'hui selon laquelle le record de supraconductivité à haute température a été battu mérite d'être examinée plus en détail.

Le travail provient du laboratoire de Mikhail Eremets et de ses collègues de l'Institut Max Planck de chimie à Mayence, en Allemagne. Eremets et ses collègues disent avoir observé l'hydrure de lanthane (LaH10) supraconducteur à la température étouffante de 250 K, soit -23 °C.

C'est plus chaud que la température actuelle au pôle Nord. Notre étude fait un bond en avant sur la voie de la supraconductivité à température ambiante, selon l'équipe. (La mise en garde est que l'échantillon doit être soumis à une pression énorme : 170 gigapascals, soit environ la moitié de la pression au centre de la Terre.)

Eremets a un pedigree assez impressionnant dans ce domaine. Lecteurs de longue date de ce blog se souviendra quand il a battu le précédent record de supraconductivité à haute température en 2014 . À cette occasion, son équipe a pu mesurer l'activité supraconductrice du sulfure d'hydrogène à –80 °C, environ 10 degrés de plus que tout autre matériau. Plus tard, il l'a porté à -70 ° C et a publié le travail dans Nature avec un énorme succès.

Mais la surprise à couper le souffle pour les physiciens était la nature du matériau supraconducteur.

La supraconductivité est bien comprise dans les supraconducteurs conventionnels, qui sont des réseaux rigides d'ions positifs baignant dans un océan d'électrons. La résistance électrique se produit lorsque les électrons se déplaçant à travers le réseau sont ralentis en le heurtant, tandis que la supraconductivité se produit lorsque le réseau est refroidi à un point où il devient suffisamment rigide pour que les ondes sonores mécaniques, ou phonons, le traversent. Ces ondes déforment le réseau en se déplaçant. Et les électrons peuvent surfer sur cette déformation.

En effet, à basse température, les électrons se lient les uns aux autres pour former des paires dites de Cooper. Et ce sont ces paires de Cooper surfant à travers le réseau qui constituent la supraconductivité.

Lorsque la température augmente, les paires de Cooper se séparent et la supraconductivité s'arrête. Ce changement se produit à ce qu'on appelle la température critique.

Avant 2014, la température critique la plus élevée pour ce type de supraconductivité était d'environ 40 K ou –230 °C. En effet, de nombreux physiciens pensaient qu'il était impossible que ce type de supraconductivité fonctionne à des températures plus élevées.

C'est pourquoi l'annonce d'Eremets était si extraordinaire : le sulfure d'hydrogène est un supraconducteur conventionnel qui se comporte d'une manière que beaucoup de gens pensaient impossible.

(En 1986, les physiciens ont découvert une forme entièrement différente de supraconductivité dans les matériaux céramiques à 180 K ou -90 ° C. Cela n'est toujours pas bien compris et peu de progrès ont été réalisés dans l'augmentation de la température.)

La découverte d'Eremets a déclenché une activité théorique fébrile pour expliquer comment se produit la supraconductivité. Le consensus est que dans le sulfure d'hydrogène, les ions hydrogène forment un réseau qui transporte les paires de Cooper avec une résistance nulle lorsque la température descend en dessous d'un niveau critique.

Cela peut se produire à haute température car l'hydrogène est si léger. Cela signifie que le réseau peut vibrer à grande vitesse et donc à haute température. Mais il faut aussi que le treillis soit bien maintenu en place, pour éviter que les vibrations ne le déchirent. C'est pourquoi la supraconductivité ne fonctionne qu'à haute pression.

Depuis lors, des travaux théoriques et informatiques considérables ont été menés pour prédire d'autres matériaux qui pourraient être supraconducteurs de cette manière à haute température. L'un des candidats probables a été l'hydrure de lanthane, celui sur lequel Eremets et co ont travaillé.

La découverte qu'il est supraconducteur à 250 K est une victoire non seulement pour Eremets et son équipe mais aussi pour les méthodes théoriques qui l'ont prédit. Ce saut, de ~ 50 K, par rapport au précédent record de 203 K indique la possibilité réelle d'atteindre la supraconductivité à température ambiante (c'est-à-dire à 273 K) dans un avenir proche à haute pression, disent Eremets et co.

Il y a encore du travail à faire, cependant. Les physiciens ont besoin de trois éléments de preuve distincts pour être convaincus que la supraconductivité a réellement lieu. Le premier est la chute caractéristique de la résistance lorsque la température baisse. Eremets a ceci.

La seconde consiste à remplacer les éléments de l'échantillon par des isotopes plus lourds. Cela fait vibrer le réseau à une vitesse différente et modifie la température critique en conséquence. Eremets et co ont également cette preuve, ayant remplacé l'hydrogène de leurs échantillons par du deutérium et vu la température critique chuter à 168 K, comme prévu.

Le troisième élément de preuve s'appelle l'effet Meissner : un supraconducteur devrait expulser tout champ magnétique. C'est ici qu'Eremets et co ont lutté. Leurs échantillons sont si petits - seulement quelques micromètres de diamètre et placés à l'intérieur de cellules à enclumes en diamant à haute pression - que les chercheurs n'ont pas encore été en mesure de mesurer cela directement, bien qu'ils disposent d'autres preuves magnétiques.

Sans cette signature finale, les physiciens peuvent refuser leur pleine étreinte. Mais c'est sûrement quelque chose que l'équipe travaille dur pour produire.

En attendant, le travail ouvre d'autres voies évidentes à poursuivre. Les modèles de calcul suggèrent que les superhydrures d'yttrium pourraient être supraconducteurs à des températures supérieures à 300 K, c'est-à-dire à la température ambiante (mais uniquement à des pressions plus courantes au centre de la Terre).

Ainsi, les supraconducteurs à température ambiante d'une forme ou d'une autre peuvent ne pas être loin du tout. La question sera alors de savoir comment les exploiter au mieux.

Réf : arxiv.org/abs/1812.01561 : Supraconductivité à 250 K dans l'hydrure de lanthane sous hautes pressions

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