Le supraconducteur qui fonctionne à température terrestre

Le monde de la supraconductivité est en effervescence. L'année dernière, Mikhail Eremets et quelques amis de l'Institut Max Planck de chimie de Mayence, en Allemagne, ont fait l'extraordinaire affirmation qu'ils avaient vu du sulfure d'hydrogène supraconducteur à -70 °C. C'est environ 20 degrés de plus que tout autre matériau, une énorme augmentation par rapport au record actuel.

Les abonnés de ce blog seront ont lu sur ce travail en décembre dernier , lors de sa première publication sur arXiv. À l'époque, les physiciens étaient prudents sur les travaux. L'histoire de la supraconductivité est parsemée d'affirmations douteuses d'activité à haute température qui s'avèrent plus tard impossibles à reproduire.

Mais dans les mois qui ont suivi, Eremets et co ont travaillé dur pour évoquer les derniers éléments de preuve concluants. Il y a quelques semaines, leur article a finalement été publié dans la revue à comité de lecture La nature , lui donnant le sceau de respectabilité que la physique traditionnelle exige. Soudain, la supraconductivité revient à la une des journaux.

Aujourd'hui, Antonio Bianconi et Thomas Jarlborg du Centre international de Rome pour la science des matériaux Superstripes en Italie fournissent une revue de ce domaine passionnant. Ces gars donnent un aperçu de la découverte d'Eremet and co et un traitement du travail théorique qui tente de l'expliquer.

Tout d'abord, un peu de contexte. La supraconductivité est le phénomène de résistance électrique nulle qui se produit dans certains matériaux lorsqu'ils sont refroidis en dessous d'une température critique.

Ce phénomène est bien compris dans les supraconducteurs conventionnels, qui sont essentiellement des réseaux rigides d'ions positifs baignant dans une mer d'électrons. La résistance électrique se produit parce que les électrons se heurtent à ce réseau et perdent de l'énergie lorsqu'ils le traversent.

Cependant, à basse température, les électrons peuvent se lier les uns aux autres pour former des paires de Cooper. Dans le même temps, le réseau devient suffisamment rigide pour permettre le mouvement cohérent d'ondes appelées phonons.

La supraconductivité se produit lorsque les paires de Cooper et les phonons voyagent ensemble à travers le matériau, les ondes ouvrant essentiellement la voie aux paires d'électrons. Et il se décompose lorsque les vibrations dans le réseau - sa température - deviennent suffisamment fortes pour briser les paires de Cooper. C'est la température critique.

Jusqu'à récemment, la température critique la plus élevée de ce type était d'environ 40 kelvins ou -230 centigrades.

Il y a essentiellement trois caractéristiques que les physiciens recherchent comme preuve qu'un matériau est supraconducteur. Le premier est une chute soudaine de la résistance électrique lorsque le matériau est refroidi en dessous de cette température critique. Le second est l'expulsion des champs magnétiques de l'intérieur du matériau, un phénomène connu sous le nom d'effet Meissner.

Le troisième est un changement de la température critique lorsque les atomes du matériau sont remplacés par des isotopes. En effet, la différence de masse isotopique fait vibrer le réseau différemment, ce qui modifie la température critique.

Mais il existe un autre type de supraconductivité qui est beaucoup moins bien compris. Il s'agit de certaines substances céramiques découvertes dans les années 1980 qui supraconductrices jusqu'à des températures d'environ -110 degrés centigrades. Personne ne comprend vraiment comment cela fonctionne, mais une grande partie de la recherche dans la communauté de la supraconductivité s'est concentrée sur ces matériaux exotiques.

Le travail d'Eremet et co est susceptible de changer cela. La plus grande surprise de leur percée est peut-être qu'elle n'implique pas de supraconducteur à haute température. Au lieu de cela, le sulfure d'hydrogène est un supraconducteur ordinaire du genre qui n'avait jamais été vu fonctionner à des températures supérieures à environ 40 kelvins.

Eremet et co ont réussi leur tour en pressant le matériau sur le genre de pressions qui n'existent qu'au centre de la terre. En même temps, ils ont réussi à trouver des preuves de toutes les caractéristiques importantes de la supraconductivité.

Alors que tout ce travail expérimental est en cours, les théoriciens se demandent comment l'expliquer. De nombreux physiciens croyaient qu'il y avait une raison théorique pour laquelle les supraconducteurs conventionnels ne pouvaient pas fonctionner au-dessus d'environ 40 kelvins. Mais en réalité, rien dans la théorie n'empêche la supraconductivité à des températures plus élevées.

En effet, dans les années 1960, le physicien britannique Neil Ashcroft a prédit que l'hydrogène devrait être capable de supraconduire à des températures et des pressions élevées, peut-être même à température ambiante. Son idée était que l'hydrogène est si léger qu'il devrait former un réseau capable de vibrer à de très hautes fréquences et donc de supraconducteur à hautes températures et pressions.

La découverte d'Eremet et co semble être une justification de cette idée. Ou du moins, quelque chose comme ça. Il y a de nombreux plis théoriques qui doivent être aplanis avant que les physiciens puissent dire qu'ils ont une bonne compréhension de ce qui se passe. Ce travail théorique est en cours.

Maintenant, la course est lancée pour trouver d'autres supraconducteurs qui fonctionnent à des températures encore plus élevées. Un candidat prometteur est H3S (par opposition à H2S sur lequel travaillait initialement Eremet).

Et bien sûr, les physiciens commencent à réfléchir aux applications. L'exploitation de ce matériau présente de nombreux défis, notamment parce qu'il n'existe sous forme supraconductrice que dans de minuscules échantillons à l'intérieur d'enclumes à haute pression.

Mais cela n'a pas empêché les gens de spéculer. Cette découverte est pertinente non seulement en science des matériaux et en matière condensée, mais aussi dans d'autres domaines allant de l'informatique quantique à la physique quantique de la matière vivante, disent Bianconi et Jarlborg. Ils insistent également sur le fait que ce supraconducteur fonctionne à une température supérieure de 19 degrés à la température la plus froide jamais enregistrée sur Terre.

Cela en fait un domaine passionnant et dont nous entendrons probablement beaucoup parler dans les mois et les années à venir.

Réf : arxiv.org/abs/1510.05264 : Supraconductivité au-dessus de la température terrestre la plus basse dans l'hydrure de soufre sous pression

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