Les anciennes cartes au trésor étaient dessinées à partir de rumeurs : quelqu'un avait trouvé de l'or près d'une rivière, quelqu'un d'autre dans les montagnes, et chacun creusait à son propre endroit. Il en va de même pour les supraconducteurs à haute température : les cuprates ont été découverts dans certains composés, les pnictures de fer dans d'autres, les nickelates dans d'autres encore, mais il n'existait pas de carte commune.
Dans ce travail, la carte n'a pas été dessinée à partir de rumeurs, mais à partir de données. On a pris 4253 supraconducteurs confirmés expérimentalement, chacun décrit par 147 nombres : propriétés des éléments, densité, volume par atome, caractéristiques cachées issues de réseaux de neurones entraînés sur des structures cristallines. Ensuite, sans aucune indication sur la température critique, on a observé comment les matériaux se regroupent d'eux-mêmes dans cet espace.
Et c'est là que l'inattendu s'est produit : les cuprates, les pnictures de fer et les nickelates, malgré des chimies différentes, se sont rassemblés en un même tas. Comme si trois expéditions, cherchant un trésor aux quatre coins du monde, étaient arrivées indépendamment à la même baie. Restait à comprendre quelles deux coordonnées mènent à cette baie.
La première coordonnée est la dispersion des électronégativités, c'est-à-dire à quel point les atomes d'un composé diffèrent dans leur capacité à attirer les électrons. La seconde est le nombre moyen d'électrons de valence, ceux qui participent aux liaisons. Il s'est avéré que la limite supérieure de la température critique atteignable augmente avec la dispersion des électronégativités, et que le nombre optimal d'électrons de valence se situe entre 7 et 8.
Avec cette carte, on peut chercher de nouveaux trésors. Un filtre en deux étapes vérifie d'abord si un candidat tombe dans la zone convoitée, puis estime sa température critique. Parmi des centaines de milliers de matériaux issus de la base de données, le filtre a rétrospectivement trouvé La4Ni3O10 avec une température prédite de 6,8 kelvins, puis a proposé de nouveaux composés, comme Sr2CoO4 et Cs2TaCl6, que personne n'a encore synthétisés.
La carte n'explique pas pourquoi ces matériaux sont supraconducteurs, mais désormais toute théorie future a un repère : le mécanisme doit expliquer pourquoi une grande différence d'électronégativité et un nombre intermédiaire d'électrons de valence favorisent une température élevée. Et les expérimentateurs ont reçu une boussole qui indique où creuser ensuite.
Les règles de Matthias, formulées dans les années 1950, stipulaient que les bons supraconducteurs ont en moyenne 5 ou 7 électrons de valence par atome. La nouvelle analyse trouve un optimum dans la plage 7–8, ce qui est étonnamment proche de l'ancienne empirique, mais désormais étayé par l'apprentissage automatique sur des milliers de composés.
Dans le roman d'Arthur C. Clarke « Les Enfants d'Icare », les supraconducteurs à température ambiante transforment l'énergie et les transports de toute une civilisation. La recherche de tels matériaux dans la réalité se fait souvent à l'aveugle ; ce travail propose une boussole qui pourrait rapprocher la science-fiction de la paillasse.