supraconductivité à température ambiante

Imaginez un tisonnier plongé dans le foyer d'un haut-fourneau. L'acier ordinaire ramollit et se déforme en quelques minutes. Les superalliages à base de nickel, qui servent à fabriquer les aubes de turbines des réacteurs, tiennent jusqu'à 1300 °C, mais au-delà, ils cèdent à leur tour.

Un film transparent d'oxyde de bismuth-tungstène repose sur un substrat et ne conduit pas le courant. Trois minutes dans un nuage de plasma d'azote suffisent pour qu'il noircisse et que sa résistance chute d'un facteur un milliard.

Un petit trou noir traverse un nuage d'hydrogène et étire les atomes comme un caramel. C'est ainsi qu'apparaît un supraconducteur lorsqu'un courant persistant y est piégé : la matière dans laquelle l'électricité circule sans perte se transforme en un aimant permanent miniature.

Un traducteur universel pour tous les dialectes du sodium. Le sodium liquide dans un réacteur se comporte différemment : près de la paroi du tube, il est dense et rapide ; à la surface d'ébullition, il est raréfié et lent. Autrefois, chaque état exigeait un ensemble de calculs distinct, comme si l'on engageait un nouveau traducteur pour chaque phrase.

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 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.

L'eau chaude après une douche, l'air tiède de la ventilation, les parois chaudes d'un moteur : toute cette chaleur en dessous de 100 °C se dissipe généralement sans avoir fait le moindre travail. Désormais, on peut la capter et la transformer en électricité. Au cœur du nouveau dispositif se trouve un fil en alliage nickel-titane.

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.

L'Univers nous envoie constamment des signaux, mais beaucoup sont trop faibles pour être perçus. Les neutrinos reliques, ces particules issues du Big Bang, traversent la Terre par milliards chaque seconde, mais en capturer ne serait-ce qu'un seul relève de l'exploit.

Un minuscule sandwich d'oxydes, cultivé couche par couche, devient parfaitement conducteur à environ moins 200 degrés Celsius. Ce n'est pas un tour de magie, mais un nouveau chapitre dans la recherche de supraconducteurs à haute température.

Un film mince d'un cristal particulier, comme le disulfure de molybdène, repose sur une platine. La température est légèrement supérieure à celle à laquelle le matériau devient supraconducteur.

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 chaleur nous entoure partout : du pot d'échappement d'une voiture au boîtier d'un ordinateur portable en fonctionnement. Les matériaux thermoélectriques pourraient convertir cette chaleur perdue en électricité.

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.

Dans une piscine, l'eau s'étale généralement en cercles autour d'une pierre jetée. Mais si l'on dirige le flux strictement le long du rebord, elle ne court que sur le bord. On a observé quelque chose de semblable dans des morceaux de cristal supraconducteur FeTe0.55Se0.45.

Un orchestre d'électrons bien coordonné dans un supraconducteur est facile à désaccorder. Les chocs thermiques détruisent l'ordre fragile, et la résistance revient. Pendant des décennies, les scientifiques ont cherché des moyens de renforcer cet ensemble — principalement en modifiant la composition du matériau ou en le comprimant à des pressions inimaginables.

Un stade bondé : les supporters s'agitent dans le désordre, créant bousculades et résistance. C'est ainsi que se comportent les électrons dans un conducteur ordinaire.

Une minuscule bille d'un quart de milligramme, suspendue dans un champ magnétique et refroidie à presque zéro absolu, oscille pendant 110 heures sans s'arrêter – c'est un record d'isolation. La perte d'énergie est si faible que l'entropie du système n'augmente presque pas, et toute influence extérieure devient perceptible.

Un supraconducteur ne laisse pas pénétrer le champ magnétique en son sein. Mais si le champ est intense, il finit par s'infiltrer — non pas en un flux continu, mais en filaments de vortex individuels, semblables à de petites tornades. À l'intérieur de chaque filament, la supraconductivité est détruite, et autour circule un courant qui ne s'atténue pas.

Une clé USB ordinaire dans votre poche chauffe, même lorsqu'elle ne fait rien. Imaginez maintenant une mémoire qui, dans le froid, ne consomme presque rien — comme un thermos qui ne refroidit pas. Le supraconducteur conduit le courant sans pertes à la température de l'hélium liquide, mais il ne savait pas stocker de données.

Une foule dans une rue étroite avance lentement parce que les gens se heurtent les uns aux autres. Dans le silicium, la chaleur se propage par des « chocs » similaires : des vibrations des atomes appelées phonons.

Le cristal qui promettait de conduire le courant sans perte à température ambiante s'est révélé fragile comme un château de cartes : touchez-le, il s'effondre.

Un supraconducteur est un matériau qui, lorsqu'il est fortement refroidi, perd sa résistance électrique : le courant le traverse sans perte. Des scientifiques ont pris un cristal stratifié de PdTe2, semblable à une pile de feuilles de papier, et l'ont refroidi à une température inférieure à 1,8 kelvin (soit environ -271°C).

Un morceau de métal chauffé à blanc dans un four, c'est comme une poêle sur la cuisinière : plus la chaleur est forte, plus elle se propage vite dans votre main si vous la touchez.

Dans un cristal isolant, la chaleur se propage généralement de l'extrémité chaude vers l'extrémité froide. Mais si l'on active un champ magnétique, une partie du flux thermique dévie sur le côté — comme l'eau qui, en dévalant une pente, est légèrement poussée latéralement par le vent. Ce comportement est appelé effet Hall thermique.

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.

Deux voitures identiques sortent de la même chaîne de montage. Carrosserie, roues, volant : tout est identique. Seule différence : l'une est équipée d'un moteur à essence classique, l'autre d'un moteur hybride que l'on peut ajuster en fonction de la route. Et voilà que l'hybride cale au bout de deux kilomètres, tandis que l'essence roule des dizaines de kilomètres.

Un alliage de palladium et de tellure, auquel on a ajouté un peu d'or, se comporte comme un fil qui perd sa résistance lorsqu'on le refroidit.

Transformer les gaz légers, comme l'hydrogène et l'azote, en métal est un vieux rêve de physicien. Dans cette nouvelle expérience, l'azote a été comprimé à 130-140 gigapascals (une pression équivalente à 14 millions de kilogrammes sur un ongle) et chauffé à 3000°C.

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.

Une pile de fines lamelles de différents matériaux repose sur une table. Si on la chauffe par le dessous, la chaleur monte, mais se propage-t-elle aussi rapidement sur les côtés ? Dans les semi-conducteurs en couches, la réponse est non : le long des couches, la chaleur circule plus vite qu'à travers.

Dans certains cristaux, les électrons s'organisent en une onde — comme des rides à la surface de l'eau, mais faites de charge. En général, une telle onde n'existe qu'à très basse température. Mais dans cette expérience, les scientifiques ont observé que des traces de l'onde persistent même à température ambiante.

Un faisceau de rayons X tombe sur un morceau de supraconducteur, et celui-ci s'échauffe à peine. Cet échauffement, de l'ordre du milliardième de degré, est la seule trace laissée par la lumière. Le nouveau détecteur capte précisément cette chaleur, comme un thermomètre sensible posé sur un métal froid.

Le fer est un aimant, pas un conducteur sans résistance. Mais si l'on ajoute un peu de fluor à un alliage de fer, d'arsenic et d'oxygène, la donne change. Les chercheurs ont pris le composé PrFeAsO et ont progressivement remplacé l'oxygène par du fluor.

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.

Un objet rouge lointain signifie généralement une chose : un rideau de poussière devant un disque incandescent qui tombe dans un trou noir. Mais lorsque James Webb a décomposé sa lumière en nuances, une ombre est apparue à l'intérieur — exactement comme la vapeur d'eau bouillante intercepte les rayons.

Un ion calcium dans un piège magnétique ressemble à une bille qui tremble constamment sous l'effet de la chaleur. Pour l'immobiliser, les physiciens le bombardent généralement de lasers venant de plusieurs directions. Mais dans cette nouvelle expérience, un seul faisceau dirigé le long de l'axe du piège a suffi.

Un minuscule aimant composé de couches de soufre, de chrome et de brome repose sur la platine d'un microscope. À l'intérieur, tels des invités imprévus, se trouvent des atomes d'erbium, un métal des terres rares. Ces atomes peuvent émettre de la lumière lorsqu'on les éclaire avec un laser, et leur lumière révèle ce qui se passe autour d'eux.

Un supraconducteur, c'est un peu comme une ville où les électrons cessent de se bousculer et se mettent à avancer par paires, comme des gens qui marchent main dans la main. Dans le nickelate de néodyme et de strontium (Nd₀.₈Sr₀.₂NiO₂), ce « défilé » apparaît à environ 10 kelvins (moins 263 degrés Celsius), mais pas de manière uniforme.

La mémoire informatique ordinaire consomme constamment de l'énergie pour ne pas oublier ce qu'elle a enregistré. Un supraconducteur pourrait stocker des données sans perte, mais il est difficile de le faire basculer. Dans ces travaux, le supraconducteur est pris en sandwich entre deux isolateurs magnétiques.