De nouveaux matériaux supraconducteurs viennent d’être découverts

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En 2024, la supraconductivité (le flux de courant électrique sans résistance) a été découverte dans trois matériaux différents. Deux exemples élargissent la compréhension du phénomène dans les manuels scolaires. Le troisième le détruit complètement. “Il s’agit d’une forme extrêmement inhabituelle de supraconductivité que beaucoup auraient considérée comme impossible”, a-t-il déclaré. Ashwin Vishwanathun physicien de l’Université Harvard qui n’a pas été impliqué dans les découvertes.

Depuis 1911, lorsque le scientifique néerlandais Heike Kamerlingh Onnes a vu pour la première fois disparaître la résistance électrique, la supraconductivité a captivé les physiciens. Il y a un pur mystère sur la façon dont cela se produit : le phénomène nécessite que les électrons, qui transportent le courant électrique, s’associent. Les électrons se repoussent, alors comment peuvent-ils se lier ?

Ensuite, il y a la promesse technologique : la supraconductivité a déjà permis le développement de machines à résonance magnétique et de puissants collisionneurs de particules. Si les physiciens parvenaient à bien comprendre comment et quand ce phénomène se produit, ils pourraient peut-être concevoir un câble qui supraconducteur l’électricité dans les conditions quotidiennes et non exclusivement à basse température, comme c’est le cas actuellement. Des technologies susceptibles de changer le monde (réseaux électriques sans perte, véhicules à lévitation magnétique) pourraient suivre.

La récente vague de découvertes a approfondi le mystère de la supraconductivité et accru l’optimisme. “Il semble que dans les matériaux, la supraconductivité soit partout”, a-t-il déclaré. Matthieu Yankowitzphysicien de l’Université de Washington.

Les découvertes découlent d’une révolution récente dans la science des matériaux : les trois nouveaux cas de supraconductivité surviennent dans des dispositifs assemblés à partir de feuilles plates d’atomes. Ces matériaux font preuve d’une flexibilité sans précédent ; D’une simple pression sur un bouton, les physiciens peuvent basculer entre des comportements conducteurs, isolants et plus exotiques, une forme moderne d’alchimie qui a alimenté la quête de la supraconductivité.

Il semble désormais de plus en plus probable que ce phénomène puisse être dû à diverses causes. Tout comme les oiseaux, les abeilles et les libellules volent en utilisant différentes structures d’ailes, les matériaux semblent associer les électrons de différentes manières. Même si les chercheurs débattent de ce qui se passe exactement dans les différents matériaux bidimensionnels en question, ils prévoient que le zoo croissant des supraconducteurs les aidera à avoir une vision plus universelle de ce phénomène attrayant.

Appariement électronique

Le cas des observations de Kamerlingh Onnes (et de la supraconductivité observée dans d’autres métaux extrêmement froids) fut finalement résolu en 1957. John Bardeen, Leon Cooper et John Robert Schrieffer découvert qu’à basse température, le réseau atomique instable d’un matériau se calme, ce qui entraîne des effets plus délicats. Les électrons tirent doucement sur les protons du réseau, les attirant vers l’intérieur pour créer un excès de charge positive. Cette déformation, appelée phonon, peut alors attirer un deuxième électron, formant une « paire de Cooper ». Les paires de Cooper peuvent fusionner en une entité quantique cohérente d’une manière que les choix solitaires ne peuvent pas faire. La soupe quantique qui en résulte glisse sans friction entre les atomes du matériau, empêchant normalement le flux électrique.

La théorie de la supraconductivité basée sur les phonons de Bardeen, Cooper et Schrieffer leur a valu le prix Nobel de physique en 1972. Mais il s’est avéré que ce n’était pas tout. Dans les années 1980, les physiciens ont découvert que des cristaux remplis de cuivre, appelés cuprates, pouvaient être supraconducteurs à des températures plus élevées, où les secousses atomiques éliminaient les phonons. D’autres exemples similaires ont suivi.