Que signifie toute cette effervescence suscitée par les nouveaux supraconducteurs ?

Une équipe de recherche sud-coréenne a publié un article préimprimé affirmant avoir fabriqué le premier matériau qui conduit l’électricité sans perte à température ambiante. Depuis lors, il y a eu beaucoup d’enthousiasme dans les cercles de recherche – mais aussi une bonne dose de scepticisme. D’une part, la découverte d’un tel matériau serait une énorme percée non seulement scientifique mais aussi technique. D’autre part, il y a eu plusieurs annonces dans ce domaine au cours des dernières années, qui sont ensuite comme intenable éprouvé.

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La querelle parfois passionnée sur les prétendues grandes découvertes, les brevets, les recettes pour la production de nouveaux matériaux, les données de mesure et la reproductibilité des résultats a ses racines dans un fait simple : on sait depuis plus de cent ans que les supraconducteurs existent. Cependant, selon la théorie qui explique pourquoi un matériau devient supraconducteur en dessous d’une certaine température, les supraconducteurs à haute température ne devraient pas exister. Mais ils existent – ​​au moins il y a des matériaux qui deviennent supraconducteurs lorsqu’ils sont refroidis avec de l’azote. Alors pourquoi n’y aurait-il pas de supraconducteurs à température ambiante ?

Comment fonctionne la supraconductivité ?

En 1911, le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes a fait une découverte étonnante : à sa propre surprise, il a découvert que le mercure perd soudainement sa résistance électrique lorsqu’il est refroidi en dessous de -269 degrés Celsius. En 1914, Onnes a démontré pour la première fois qu’un courant permanent peut être induit dans une bobine de plomb supraconductrice sans source d’alimentation externe en utilisant un champ magnétique.

Comment est-ce possible ?

Si un courant est envoyé à travers un conducteur électrique – par exemple un câble en cuivre – il s’échauffe. La chaleur est générée parce que les électrons transportant le courant ne peuvent pas traverser le réseau cristallin sans encombre. Ils entrent en collision avec les atomes du réseau et libèrent une partie de leur énergie dans le réseau.

Pourquoi cela ne se produit-il pas dans l’état supraconducteur ?

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L’effet ne peut être expliqué que par la mécanique quantique. En 1957, le trio de chercheurs américains John Bardeen, Leon Cooper et J. Robert Schrieffer a présenté avec la théorie BCS un modèle explicatif pour lequel ils ont reçu le prix Nobel en 1972 : selon celui-ci, les électrons dans les supraconducteurs se combinent pour former des « paires de Cooper » – en gros comme deux personnes partageant un lit français usé. Le matelas se déforme et ils se rejoignent au milieu du lit. Dans le cas des électrons dans les supraconducteurs, cette “interaction attractive” passe par une déformation du réseau cristallin.

Ces paires d’électrons se comportent alors comme des bosons, c’est-à-dire des particules de spin entier non soumises à l’interdiction de Pauli comme des électrons. Ils sont donc autorisés à occuper plusieurs fois le même état d’énergie, et ils le préfèrent même : l’une des propriétés les plus étonnantes des bosons est qu’ils « s’agglutinent » dans certains états. Ceci s’applique également aux paires de Cooper, qui, dans une certaine mesure, se déplacent à l’unisson dans l’état supraconducteur. Toute tentative de changement d’état d’une paire par collision ne réussit qu’avec une très faible probabilité, de sorte qu’aucune énergie n’est transférée au réseau atomique du solide – du moins en dessous d’une certaine température.

Que sont les supraconducteurs à haute température ?

Lorsque les physiciens Alexander Müller et Georg Bednorz ont découvert en 1986 au laboratoire de recherche suisse IBM de Rüschlikon que certains oxydes de cuivre perdaient leur résistance électrique à une température de 35 Kelvin (-238 degrés Celsius), ils ont déclenché un boom. Au printemps 1987, leurs collègues ont découvert un composé similaire – l’oxyde de cuivre et de baryum d’yttrium – qui devenait supraconducteur même à des températures inférieures à 93 Kelvin (-180 degrés Celsius). Pour la première fois, les physiciens avaient trouvé un matériau qui devient supraconducteur même lorsqu’il est refroidi avec de l’azote liquide. L’azote liquide est beaucoup plus facile et moins cher à produire que l’hélium liquide, et la découverte des supraconducteurs à haute température a promis d’autres possibilités.

Les électrons forment également des paires de Cooper dans les supraconducteurs à haute température. Cependant, il doit y avoir des mécanismes de couplage atypiques qui expliquent pourquoi cela fonctionne précisément avec ces substances et des températures relativement élevées. À ce jour, il n’existe ni théorie expliquant ce comportement ni recette pour d’autres connexions réussies de ce type.

Pire encore : les céramiques supraconductrices à haute température sont fragiles et très difficiles à traiter. Pour en faire une sorte de câble, de fines couches de ces matériaux sont déposées en phase vapeur sur un substrat métallique. Des centaines de ces rubans fins sont ensuite tissés en câbles – c’est extrêmement complexe et nécessite beaucoup de savoir-faire, donc cela ne vaut que dans des cas particuliers. Les générateurs avec des bobines en matériau supraconducteur, par exemple, ont une énorme densité de puissance. Cependant, leur utilisation n’est généralement pas économique. Jusqu’à présent, les supraconducteurs à haute température n’ont été utilisés que là où il n’y avait pas d’autre option technique. La start-up de fusion Commonwealth Fusion, par exemple, l’a utilisé pour produire un aimant avec une intensité de champ de 11 Tesla pour son réacteur.

Comment déterminer si un matériau est un supraconducteur ?

Par définition, un supraconducteur est un matériau dont la résistance tombe à zéro en dessous de la température critique. Mais les tailles extrêmement petites sont très difficiles à mesurer. Comment distinguer si la résistance électrique est minuscule ou nulle ?

Heureusement, il existe d’autres propriétés caractéristiques qui caractérisent les supraconducteurs. Si les supraconducteurs sont placés dans des champs magnétiques, ils ne pénètrent que dans les supraconducteurs dits de type I à l’exception d’une fine couche en surface. Le champ magnétique est expulsé du supraconducteur (si le supraconducteur est de type II, les choses se compliquent). La preuve de cet “effet Meißner-Ochsenfeld” est une indication importante pour les supraconducteurs. Une autre indication serait la détection d’un champ critique, au-dessus duquel la résistance augmente brusquement. Et la capacité calorifique des supraconducteurs se comporte également différemment de celle des matériaux classiques : à l’état supraconducteur, la capacité calorifique saute à une valeur nettement supérieure à la température critique puis décroît à nouveau lorsque la température diminue.

Qu’est-ce que cela signifie pour le nouveau journal ?

Mer Nouveau scientifique il n’y a aucune indication de l’évolution typique de la capacité thermique dans les données. D’autres experts ont exprimé leur inquiétude quant au fait que certains des résultats pourraient s’expliquer par des erreurs dans la procédure expérimentale combinées à des imperfections dans l’échantillon.

Les auteurs émettent l’hypothèse que les distorsions dans le réseau cristallin de leur matériau créent des “puits quantiques” qui permettent aux électrons de se coupler en paires de Cooper. Entre ces puits quantiques supraconducteurs, distants de 3,7 à 6,5 angströms, les électrons pourraient tunnel. En d’autres termes : Le matériau n’est pas systématiquement supraconducteur, mais contient de petits îlots supraconducteurs. Il reste à voir si cela explique vraiment les données de mesure atypiques. Divers groupes de recherche travaillent actuellement à recuire le matériau et à terminer la reproduction des mesures. Jusqu’à ce que cela se produise, nous entrer dans le domaine de la spéculation.

(wst)