Comment la supraconductivité à température ambiante pourrait changer le monde

Imaginez un monde dans lequel les trains à lévitation magnétique (maglev) sont monnaie courante, les ordinateurs sont ultra-rapides, les câbles d'alimentation ont peu de pertes et de nouveaux détecteurs de particules existent. C'est le monde dans lequel les supraconducteurs à température ambiante sont une réalité. Jusqu'à présent, c'est un rêve pour l'avenir, mais les scientifiques sont plus proches que jamais de réaliser la supraconductivité à température ambiante.

Qu'est-ce que la supraconductivité à température ambiante?

Un supraconducteur à température ambiante (RTS) est un type de supraconducteur à haute température (high-T_c ou HTS) qui fonctionne plus près de la température ambiante que du zéro absolu. Cependant, la température de fonctionnement supérieure à 0 ° C (273,15 K) est encore bien inférieure à ce que la plupart d'entre nous considèrent comme la température ambiante "normale" (20 à 25 ° C). En dessous de la température critique, le supraconducteur a une résistance électrique nulle et une expulsion des champs de flux magnétique. Bien que ce soit une simplification excessive, la supraconductivité peut être considérée comme un état de conductivité électrique parfaite.

Les supraconducteurs à haute température présentent une supraconductivité supérieure à 30 K (-243,2 ° C). Alors qu'un supraconducteur traditionnel doit être refroidi à l'hélium liquide pour devenir supraconducteur, un supraconducteur à haute température peut être refroidi à l'aide d'azote liquide. Un supraconducteur à température ambiante, en revanche, pourrait être refroidi avec de la glace à l'eau ordinaire. 

La quête d'un supraconducteur à température ambiante

Élever la température critique de la supraconductivité à une température pratique est un Saint Graal pour les physiciens et les ingénieurs électriciens. Certains chercheurs pensent que la supraconductivité à température ambiante est impossible, tandis que d'autres soulignent des avancées qui ont déjà dépassé les croyances antérieures.

La supraconductivité a été découverte en 1911 par Heike Kamerlingh Onnes dans du mercure solide refroidi à l'hélium liquide (Prix Nobel de physique 1913). Ce n'est que dans les années 1930 que les scientifiques ont proposé une explication du fonctionnement de la supraconductivité. En 1933, Fritz et Heinz London ont expliqué l'effet Meissner, dans lequel un supraconducteur expulse les champs magnétiques internes. À partir de la théorie de Londres, les explications ont grandi pour inclure la théorie de Ginzburg-Landau (1950) et la théorie microscopique BCS (1957, du nom de Bardeen, Cooper et Schrieffer). Selon la théorie BCS, il semblait que la supraconductivité était interdite à des températures supérieures à 30 K. Pourtant, en 1986, Bednorz et Müller ont découvert le premier supraconducteur à haute température, un matériau de pérovskite cuprate à base de lanthane avec une température de transition de 35 K. La découverte leur a valu le prix Nobel de physique 1987 et a ouvert la porte à de nouvelles découvertes.

Le supraconducteur à la température la plus élevée à ce jour, découvert en 2015 par Mikhail Eremets et son équipe, est l'hydrure de soufre (H₃S). L'hydrure de soufre a une température de transition d'environ 203 K (-70 ° C), mais uniquement sous une pression extrêmement élevée (environ 150 gigapascals). Les chercheurs prévoient que la température critique pourrait être augmentée au-dessus de 0 ° C si les atomes de soufre sont remplacés par du phosphore, du platine, du sélénium, du potassium ou du tellure et qu'une pression encore plus élevée est appliquée. Cependant, alors que les scientifiques ont proposé des explications sur le comportement du système d'hydrure de soufre, ils n'ont pas pu reproduire le comportement électrique ou magnétique.

Un comportement supraconducteur à température ambiante a été revendiqué pour d'autres matériaux que l'hydrure de soufre. L'oxyde de cuivre au baryum et à l'yttrium supraconducteur à haute température (YBCO) pourrait devenir supraconducteur à 300 K à l'aide d'impulsions laser infrarouges. Le physicien de l'état solide, Neil Ashcroft, prédit que l'hydrogène métallique solide devrait être supraconducteur près de la température ambiante. L'équipe de Harvard qui prétendait fabriquer de l'hydrogène métallique a rapporté que l'effet Meissner peut avoir été observé à 250 K.Selon le couplage d'électrons à médiation par exciton (pas d'appariement à médiation par phonon de la théorie BCS), il est possible que la supraconductivité à haute température soit observée dans les composés organiques des polymères dans les bonnes conditions.

The Bottom Line

De nombreux rapports de supraconductivité à température ambiante apparaissent dans la littérature scientifique, de sorte qu'en 2018, la réalisation semble possible. Cependant, l'effet dure rarement longtemps et est diaboliquement difficile à reproduire. Un autre problème est que des pressions extrêmes peuvent être nécessaires pour obtenir l'effet Meissner. Une fois qu'un matériau stable est produit, les applications les plus évidentes incluent le développement d'un câblage électrique efficace et de puissants électroaimants. De là, le ciel est la limite en ce qui concerne l'électronique. Un supraconducteur à température ambiante offre la possibilité d'aucune perte d'énergie à une température pratique. La plupart des applications de RTS restent à imaginer.

Points clés

• Un supraconducteur à température ambiante (RTS) est un matériau capable de supraconductivité au-dessus d'une température de 0 ° C. Ce n'est pas nécessairement supraconducteur à température ambiante normale.
• Bien que de nombreux chercheurs affirment avoir observé la supraconductivité à température ambiante, les scientifiques n'ont pas été en mesure de reproduire de manière fiable les résultats. Cependant, il existe des supraconducteurs à haute température, avec des températures de transition comprises entre −243,2 ° C et −135 ° C.
• Les applications potentielles des supraconducteurs à température ambiante comprennent des ordinateurs plus rapides, de nouvelles méthodes de stockage des données et un transfert d'énergie amélioré.

Références et lectures suggérées

• Bednorz, J. G .; Müller, K. A. (1986). "Supraconductivité TC élevée possible dans le système Ba-La-Cu-O". Zeitschrift für Physik B. 64 (2): 189-193.
• Drozdov, A. P .; Eremets, M. I .; Troyan, I. A .; Ksenofontov, V .; Shylin, S. I. (2015). "Supraconductivité conventionnelle à 203 degrés kelvin à haute pression dans le système d'hydrure de soufre". La nature. 525: 73-6.
• Ge, Y. F .; Zhang, F .; Yao, Y. G. (2016). "Démonstration des premiers principes de la supraconductivité à 280 K dans le sulfure d'hydrogène à faible substitution de phosphore". Phys. Rev. B. 93 (22): 224513.
• Khare, Neeraj (2003). Manuel de l'électronique supraconductrice à haute température. Presse CRC.
• Mankowsky, R .; Subedi, A .; Först, M .; Mariager, S. O .; Chollet, M .; Lemke, H. T .; Robinson, J. S .; Glownia, J. M .; Minitti, M. P .; Frano, A .; Fechner, M .; Spaldin, N. A .; Loew, T .; Keimer, B .; Georges, A .; Cavalleri, A. (2014). "Dynamique du réseau non linéaire comme base d'une supraconductivité améliorée dans YBa₂Cu₃O_6.5". La nature. 516 (7529): 71-73. 
• Mourachkine, A. (2004). Supraconductivité à température ambiante. Cambridge International Science Publishing.