supraconductivité à haute température

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.

Un métal composé de cinq atomes différents, c'est comme une soupe où flottent des morceaux de carotte, de petits pois, de pomme de terre, d'oignon et de viande. Chaque morceau représente un élément : le chrome, le vanadium, le titane, le niobium et le tantale.

À l'intérieur d'une enclume de diamant, qui comprime l'échantillon avec une force des millions de fois supérieure à la pression atmosphérique, un mince film de lanthane rencontre l'hydrogène. L'hydrogène provient de l'ammoniac-borane – une poudre qui, lorsqu'elle est chauffée, libère son hydrogène comme une éponge libère de l'eau.

Un supraconducteur est un matériau dans lequel l'électricité circule sans perte, comme l'eau dans un tuyau parfaitement lisse. Mais si on le comprime légèrement, comme un ressort, ses propriétés changent. Les scientifiques voulaient depuis longtemps mesurer la quantité de chaleur absorbée par un tel matériau comprimé, mais les instruments ne rentraient pas dans le dispositif exigu.

Un fil ordinaire chauffe quand le courant le traverse — une partie de l'énergie est perdue. Le supraconducteur n'a pas ce défaut : l'électricité y circule sans perte, comme l'eau dans un tuyau parfaitement lisse. Le problème, c'est que la plupart des supraconducteurs fonctionnent soit à très basse température, soit sous une pression colossale — comparable à celle des profondeurs planétaires.

Une puce électronique de la taille d'un ongle dégage autant de chaleur qu'une petite ampoule. Évacuer cette chaleur, c'est comme vider un verre de thé brûlant avec une cuillère à café : le matériau isolant autour des transistors conduit généralement mal la chaleur.

Un morceau de pellicule plus fin qu'un cheveu humain a été placé entre des enclumes de diamant, puis comprimé. La pression a grimpé : cent mille atmosphères, un demi-million, un million... Et le matériau continuait de conduire le courant sans résistance.

De nombreux matériaux se comportent comme une glace capricieuse : sous une certaine pression, ils fondent ; sous une autre, ils durcissent. Les supraconducteurs de la famille des cuprates ne font pas exception. Leur capacité à conduire le courant sans perte dépend de la compression du réseau cristallin.

La spintronique promet de transmettre l'information non par la charge mais par le spin, débarrassant la microélectronique de son ennemi principal : la chaleur de Joule.

La supraconductivité et le champ magnétique sont des ennemis de toujours : le champ s'engouffre comme un tourbillon, déchirant la fragile paire de Cooper et détruisant l'ordre.

La famille des nickelates est constituée de cristaux en couches, semblables à une pile de crêpes : les couches de nickel et d'oxygène alternent avec des intercalaires de lanthane. Il y a deux ans, on y a découvert la supraconductivité — la capacité de conduire le courant sans résistance lorsqu'ils sont refroidis.

Une fine pellicule magnétique ressemble à un rang de soldats de plomb munis de minuscules aiguilles aimantées. Dans un monde plat, les secousses thermiques ne tardent pas à rompre ce rang : le moindre échauffement détruit l'ordre. C'est ce qu'énonce l'interdiction de Mermin–Wagner : en deux dimensions, une symétrie continue ne survit pas à température finie.

Un potier trace un motif sur une tuile d'argile encore humide avec un scalpel bien aiguisé. Un faux mouvement, et la ligne s'étale, la tuile se fissure. C'est à peu près ainsi que les physiciens travaillent sur des couches minces du supraconducteur à haute température YBCO (un composé d'yttrium, de baryum, de cuivre et d'oxygène).

Les supraconducteurs conduisent le courant sans perte, mais exigent généralement un froid extrême. Hg1223 — un mélange de mercure, de baryum, de calcium, de cuivre et d'oxygène — enfreint la règle : il cesse de résister au courant dès –139 °C. Le secret réside dans le fait que la forte répulsion électrique entre les électrons les force à s'apparier.

Un sandwich où, au lieu du pain, on trouve des couches d'oxyde de cuivre, et entre elles, une fine couche d'ions strontium. C'est le cuprate à couches infinies, la variante la plus simple de la céramique supraconductrice, imaginée il y a près de 40 ans.

Dans les métaux que nous connaissons, comme le cuivre, les électrons se déplacent presque indépendamment — comme des voitures sur une autoroute dégagée. La résistance provient de collisions rares, et on peut la décrire par des formules simples.

Le champ magnétique ne pénètre pas dans un supraconducteur comme un flux continu, mais sous forme de filaments fins : les vortex. En général, ils se repoussent et s'organisent en un réseau triangulaire régulier, comme des flotteurs à la surface de l'eau.

Un bus bondé où chaque passager est un électron. Dans un supraconducteur, les passagers s'associent en paires et se déplacent de manière coordonnée, sans perte d'énergie. Mais dans les supraconducteurs à haute température, comme les cuprates, cette idylle ne fonctionne que si l'on ajoute des passagers supplémentaires.

Un cristal de cuivre est comprimé dans une enclume de diamant. La pression augmente, et à l'intérieur du matériau se déroule une lutte entre deux états : l'un prépare les électrons à la supraconductivité, l'autre, au contraire, les empêche de s'associer. Les scientifiques ont suivi cette lutte à l'aide d'impulsions laser ultrabrèves.

Un transistor classique dans un téléphone est fabriqué dans une chambre à vide, où les atomes se déposent couche par couche. C'est cher et long. Mais l'oxyde d'indium peut s'imprimer comme de l'encre — à partir d'une goutte de métal liquide qui, à l'air libre, se recouvre spontanément d'une fine pellicule d'oxyde. Les auteurs ont pris de l'indium, l'ont fondu et l'ont étalé sur un substrat à 250 degrés.

La supraconductivité, c'est quand un courant électrique circule sans perte, comme l'eau dans un tuyau parfaitement lisse. Elle apparaît généralement à très basse température, mais certains matériaux la manifestent à des températures plus élevées.

Dans une casserole d'eau bouillante, des bulles de vapeur naissent et éclatent, mais l'eau reste liquide. Quelque chose de similaire se produit dans un gaz atomique ultra-froid : les atomes forment constamment des paires puis se séparent à nouveau, alors que la superfluidité n'est pas encore atteinte.

Un fin fil du nouveau matériau conduit l'électricité sans perte lorsqu'on le refroidit à trois degrés au-dessus du zéro absolu. C'est comme de l'eau qui s'écoule dans un tuyau sans rencontrer de frottement contre les parois.

Dans un cristal, les électrons se comportent parfois comme une foule dans un stade qui crée une « vague » : des zones de plus forte densité succèdent à des zones presque vides. Cette onde bloque la libre circulation des charges — dans des conditions normales, le matériau n'est pas supraconducteur. Mais il suffit d'appliquer une pression pour que l'onde disparaisse et que les électrons se déplacent sans perte.

Le niobium est un métal qui, lorsqu'il est refroidi à quelques degrés au-dessus du zéro absolu, conduit le courant sans résistance. Dans les laboratoires, on le dépose en fines pistes sur un substrat, comme on étale de la crème sur un gâteau.

Fine comme une toile d'araignée, une pellicule de cinq métaux a encaissé le choc du laser. À l'intérieur, la pression a grimpé jusqu'à 55 gigapascals — c'est comme si cent éléphants se tenaient sur un ongle. L'alliage a tenu le coup et s'est comprimé pendant une fraction de nanoseconde, sans se briser.

Les circuits supraconducteurs sont souvent construits sur des jonctions Josephson — des endroits où le courant circule sans résistance à travers une barrière mince. Habituellement, cette barrière est une couche d'oxyde, mais ses propriétés sont difficiles à contrôler à l'échelle nanométrique.

Un morceau de tellurure d'argent-antimoine spectroscopie]ressemble à une éponge : il absorbe facilement la chaleur et la transforme en électricité. Ces matériaux sont appelés thermodlectriques, et ils fonctionnent déjà dans les sondes spatiales et les réfrigérateurs de voiture.

La glace glisse sous la lame du patin comme un savon mouillé entre les mains. Pendant un siècle, les scientifiques ont débattu de l'origine de cette glissance. Certains affirmaient qu'une fine couche d'eau recouvrait déjà la surface et servait de lubrifiant. D'autres rétorquaient que l'eau n'apparaissait qu'au moment du mouvement, générée par le frottement.

La supraconductivité est la capacité d'un matériau à conduire l'électricité sans perte. Les fils ordinaires chauffent et une partie de l'énergie se dissipe en chaleur, alors qu'un supraconducteur laisse passer le courant sans résistance.

Les puces à l'intérieur des smartphones et des ordinateurs deviennent de plus en plus denses : des milliards de transistors sont entassés sur un morceau de silicium de la taille d'un ongle. En fonctionnement, ils dégagent de la chaleur, comme de minuscules poêles. Si la chaleur n'est pas évacuée, la puce surchauffe, commence à dysfonctionner ou tombe en panne.

De l'eau dans une casserole qui, au lieu de bouillir, se transformerait en glace. C'est à peu près ce que font des atomes ultrafroids dans un réseau optique — un treillis cristallin de lumière qui maintient les atomes en place.

Un conducteur ordinaire laisse passer le courant aussi bien dans un sens que dans l'autre, comme une porte qui s'ouvre vers l'intérieur comme vers l'extérieur. Une diode, c'est plutôt une porte avec un ferme-porte : elle s'ouvre facilement d'un côté, mais bute de l'autre.

Un bloc de métal composé de cinq métaux différents — hafnium, niobium, scandium, titane et zirconium — repose dans un four. Après chauffage à 600 degrés, des zones apparaissent à l'intérieur, semblables à un motif de deux métaux mélangés, comme des veines de marbre.

Un alliage métallique ressemble à un cocktail : on mélange plusieurs éléments et on obtient un matériau aux nouvelles propriétés. Mais si le barman goûte la boisson, les ingénieurs, eux, doivent savoir à l'avance comment l'alliage se comportera en service.

À l'intérieur d'une pile à combustible, les protons doivent traverser rapidement le matériau solide, comme des passagers franchissant les tourniquets à l'heure de pointe. Si les tourniquets sont rares et étroits, le courant est faible.

Un fil ordinaire chauffe quand le courant le traverse. Un supraconducteur, non. Mais presque tous les supraconducteurs connus fonctionnent soit à très basse température, soit sous une pression énorme, comme dans les entrailles des planètes. Les scientifiques cherchent depuis longtemps un matériau qui évite ces extrêmes.

L'électronique chauffe. Plus le processeur est puissant, plus il faut évacuer de chaleur, sinon il tombe en panne. L'un des goulots d'étranglement est la frontière entre deux matériaux : la chaleur bute dessus comme sur un joint entre des carreaux et ralentit.

Un photon de rayons X frappe le capteur comme un caillou tombe dans une eau calme. L'eau, c'est un film mince d'aluminium et de manganèse, refroidi presque au zéro absolu. L'impact sur le film fait naître une onde de chaleur, et la hauteur de cette onde permet de savoir combien d'énergie le photon a apporté.

Dans le réseau cristallin du séléniure de fer, les atomes de fer et de sélénium alternent comme des briques dans un mur. Mais parfois, des atomes de fer supplémentaires s'infiltrent dans les interstices — tels des invités indésirables qui se faufilent entre les briques.