Monde de la physique : « LK-99 possède des propriétés passionnantes »

En juillet 2023, un groupe de recherche sur la plateforme arXiv a fait état d’un matériau qui serait conducteur de l’électricité sans résistance, même à température ambiante – ce qu’on appelle un supraconducteur à haute température. Si ces résultats se confirmaient, ce serait une sensation scientifique. Mais il y a eu des rapports similaires dans le passé qui n’ont pas résisté à un examen plus approfondi de la part de la communauté scientifique. Dans une interview accordée au Welt der Physik, Karsten Held, de l’Université technique de Vienne, raconte comment les scientifiques du monde entier vérifient actuellement s’il pourrait s’agir réellement d’un supraconducteur à haute température et à quoi ressemblent les résultats obtenus jusqu’à présent.

Monde de la physique : que sont les supraconducteurs ?

Karsten Held : Un courant électrique circule sans aucune résistance dans les matériaux supraconducteurs. L’effet est basé sur la mécanique quantique et ne se produit normalement qu’à des températures très basses proches du zéro absolu, c’est-à-dire autour de moins 273 degrés Celsius ou 0 Kelvin. Jusqu’à présent, les supraconducteurs ont été principalement utilisés dans les grandes installations de recherche telles que les accélérateurs de particules ou les réacteurs à fusion, où un refroidissement complexe est possible. Dans les années 1980, les chercheurs Johannes Georg Bednorz et Karl Alexander Müller ont découvert que certaines céramiques contenant de l’oxyde de cuivre présentaient déjà des propriétés supraconductrices à des températures aussi basses que moins 135 degrés Celsius. Les deux chercheurs ont reçu le prix Nobel de physique en 1987 pour la découverte de ces supraconducteurs dits à haute température. Il y a quelques années, on a découvert que certains hydrures, c’est-à-dire des composés chimiques de l’hydrogène avec un autre élément, devenaient supraconducteurs à des températures aussi basses que moins 23 degrés Celsius. Mais pour ce faire, les matériaux doivent être soumis à une pression extrêmement élevée dans des cellules de pression spéciales en diamant.

Un groupe de recherche sud-coréen vient de publier un article sur la plateforme arXiv dans lequel il présente un matériau dit supraconducteur à température et pression ambiantes. De quel matériau s’agit-il ?

L’équipe dirigée par Sukbae Lee et Ji-Hoon Kim a étudié un matériau appelé LK-99, un composé composé d’éléments plomb, cuivre, phosphore et oxygène. Lee et Kim ont synthétisé ce matériel pour la première fois en 1999. Dans leurs nouvelles expériences, le groupe de recherche a maintenant trouvé des preuves que le LK-99 est réellement supraconducteur à des températures allant jusqu’à 100 degrés Celsius et à pression ambiante. Le groupe a initialement publié ses résultats sur la plateforme arXiv et dans une revue presque inconnue en coréen. Avant de pouvoir parler d’un supraconducteur à température ambiante, il faut qu’il soit confirmé par d’autres groupes de recherche, par de meilleurs résultats de mesure et, enfin et surtout, par un examen critique par d’autres scientifiques, par exemple dans le cadre d’un bon processus d’examen par les pairs.

Selon les chercheurs, quelles sont les indications selon lesquelles il s’agit d’un supraconducteur à température ambiante ?

Il existe en fait trois caractéristiques qui parlent en faveur d’un supraconducteur et qui sont mises en évidence dans les travaux coréens : La résistance électrique du nouveau matériau est probablement très faible. Cependant, il existe encore une quantité relativement importante de bruit dans les mesures. Une preuve évidente serait une valeur inférieure au billionième d’ohm-centimètre, ce qui est très difficile à mesurer avec une telle précision. Il n’est donc pas encore possible de dire avec certitude si la résistance du LK-99 disparaît complètement ou si elle n’est que très faible. Cependant, les chercheurs se sont également penchés sur deux autres propriétés des supraconducteurs.

Quelles sont ces propriétés ?

Si un supraconducteur est amené dans un champ magnétique externe, il déplace complètement ce champ magnétique de son intérieur. En conséquence, un supraconducteur commence à léviter lorsqu’il est placé sur un aimant. L’équipe autour de Lee et Kim a observé cette soi-disant lévitation à LK-99. Mais il existe également des matériaux magnétiques conventionnels qui présentent le même effet et ne sont pas supraconducteurs : ce que l’on appelle les diamagnets. La dernière indication est que les propriétés supraconductrices se dégradent à un certain point en fonction de la température et du champ magnétique appliqué. L’équipe de recherche décrit également ce comportement dans ses publications. Mais il existe également des incertitudes sur ce point, car théoriquement l’effet observé pourrait aussi s’expliquer par des problèmes au niveau des contacts électriques.

Comment de telles affirmations peuvent-elles être vérifiées ?

Des groupes de recherche du monde entier tentent actuellement de reproduire les résultats. Pour ce faire, ils produisent le matériau LK-99 et l’examinent, entre autres, pour ces trois caractéristiques. Un groupe de recherche chinois a pu confirmer la lévitation, tandis qu’un autre a observé une très faible résistance électrique – mais seulement à des températures nettement plus basses, d’environ moins 163 degrés Celsius. Cependant, d’autres scientifiques arrivent à la conclusion que le matériau ne conduit aucune électricité et ne présente aucune lévitation. Jusqu’à présent, les expériences ont été contradictoires.

Vous avez maintenant abordé le matériau non pas d’un point de vue expérimental mais d’un point de vue théorique. Comment avez-vous étudié LK-99 ?

Nous avons utilisé des simulations informatiques pour examiner les propriétés électriques du matériau. Nous avons découvert que le LK-99 est ce qu’on appelle un isolant Mott, ce qui signifie qu’il ne devrait pas conduire l’électricité du tout. Ce comportement a également été observé dans certaines expériences. Cependant, ce que nous constatons également dans nos calculs, c’est que les propriétés du matériau peuvent être modifiées par dopage, c’est-à-dire en introduisant quelques atomes étrangers dans le matériau. Dans ce cas, l’isolant devient conducteur électrique. Et nos calculs montrent ici des propriétés qui pourraient au moins favoriser la supraconductivité. Mais pour confirmer les résultats expérimentaux du groupe de recherche, la démonstration de conditions potentiellement favorables dans les calculs théoriques ne suffit bien entendu pas.

Comment ça se passe à partir d’ici ?

Ces dernières années, des rapports ont régulièrement fait état de la découverte d’un nouveau matériau supraconducteur. Une partie de ces travaux a ensuite été retirée et la communauté scientifique est devenue quelque peu immunisée contre de telles affirmations. D’après nos calculs, je suis convaincu que les résultats cette fois reposent sur une meilleure base que ceux du passé. Cependant, je ne parierais pas sur le fait que le LK-99 soit réellement un supraconducteur à température ambiante. Des affirmations extraordinaires comme celles-ci nécessitent des preuves extraordinaires, et celles-ci ne sont pas disponibles actuellement. Reste à voir ce que révéleront les futures expériences et calculs.