Aperçu du Préambule

Ces derniers jours, la communauté de physique a été témoin de l'émergence d'une étude sur la supraconductivité à température ambiante. Cette recherche provient d'une équipe de Corée du Sud, qui a téléchargé deux articles sur arXiv, affirmant avoir synthétisé un matériau supraconducteur à température ambiante à pression atmosphérique, dont la température critique supraconductrice dépasse le point d'ébullition de l'eau, atteignant un maximum de 127 degrés Celsius.

Le matériau, nommé LK 99, est un apatite de plomb dopée au cuivre avec la formule chimique écrite comme suit...

L'échantillon synthétisé ressemble à ceci.

Qu'est-ce qu'un supraconducteur ?

Un supraconducteur est un matériau spécial avec des propriétés supraconductrices. La supraconductivité signifie que, dans des conditions de basse température, les supraconducteurs peuvent conduire un courant sans résistance et exhiber l'effet Meissner, où un champ magnétique répulsif est formé à l'intérieur du supraconducteur en réponse à un champ magnétique externe.

Les métaux ordinaires résistent au flux du courant électrique ou réagissent à un champ magnétique appliqué, entraînant des pertes d'énergie sous forme de chaleur. Cependant, les supraconducteurs peuvent éliminer complètement la résistance à de basses températures, généralement près du zéro absolu, permettant au courant électrique de circuler sans aucune perte. Ce phénomène de supraconductivité est dû à l'appariement des électrons dans un supraconducteur, appelés paires de Cooper, qui se déplacent ensemble plutôt que comme des électrons individuels.

Applications des supraconducteurs

La découverte et l'étude des supraconducteurs ont été une avancée scientifique importante et ont trouvé de nombreuses applications dans divers domaines, notamment :

1. Transmission d'énergie : Les câbles supraconducteurs peuvent réduire considérablement les pertes d'énergie lors de la transmission de l'électricité, améliorant ainsi l'efficacité de la transmission d'énergie.

2. Imagerie par résonance magnétique (IRM) : Les aimants supraconducteurs sont utilisés dans les équipements d'IRM pour produire des images médicales haute résolution.

3.Train à sustentation magnétique (maglev) : La technologie maglev supraconductrice permet aux trains de rouler à grande vitesse sans contact sur des voies de sustentation, réduisant ainsi les frottements et les pertes d'énergie.

Informatique quantique : Les qubits supraconducteurs peuvent être utilisés pour développer des ordinateurs quantiques plus puissants.

Cependant, la plupart des supraconducteurs actuels nécessitent des températures extrêmement basses pour manifester la supraconductivité, ce qui limite leurs applications pratiques. C'est pourquoi les chercheurs recherchent des matériaux capables de présenter la supraconductivité à des températures plus élevées, conduisant au concept de « supraconducteur à température ambiante ».

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

Les supraconducteurs à température ambiante, également connus sous le nom de supraconducteurs à pression ambiante, désignent des matériaux qui peuvent manifester la supraconductivité à des températures et pressions plus conventionnelles, généralement à la température ambiante ou en dessous. Il s'agit d'une percée significative, car les supraconducteurs traditionnels nécessitent des températures extrêmement basses, proches du zéro absolu, pour manifester la supraconductivité. Si les résultats des tests sud-coréens sont exacts, la découverte de matériaux supraconducteurs à température ambiante serait une avancée majeure dans le domaine de la supraconductivité.

Comparés à d'autres supraconducteurs, les supraconducteurs à température ambiante peuvent fonctionner dans des conditions plus faciles à atteindre dans la vie quotidienne. 

En 2020, la supraconductivité à la plus haute température a été obtenue dans un système contenant du carbone et du sulfure d'hydrogène sous ultra-haute pression, avec une pression de 267 GPa et une température critique de +15 °C.

Processus historique de recherche sur la supraconductivité à température ambiante

En ce qui concerne la recherche menée par l'équipe coréenne, beaucoup de gens la trouvent difficile à croire. Il est essentiel de rester prudent jusqu'à ce que les résultats soient reproduits. Le chemin vers la supraconductivité à température ambiante a été long, remontant au début du XXe siècle.

En 1911, le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes a découvert pour la première fois la supraconductivité dans un filament de mercure refroidi à 4,2 K (-269 °C).

En 1957, les physiciens John Bardeen, Leon Cooper et Robert Schrieffer ont expliqué ce phénomène théoriquement avec leur « théorie BCS », montrant que les électrons comprimés à travers un supraconducteur déforment temporairement la structure du matériau, entraînant un échange d'électrons.

En 1986, les physiciens ont découvert que les céramiques d'oxyde de cuivre présentaient une supraconductivité à une température critique plus élevée de Tc=30 K (environ -243 °C).

En 1994, les chercheurs ont augmenté la température critique (Tc) de l'oxyde de cuivre à base de mercure à 164 K (environ -109 °C) sous pression. Cependant, le mécanisme à l'origine de la supraconductivité dans les supraconducteurs à base de cuprate reste inconnu.

Au XXIe siècle, de nombreux chercheurs ont fait des efforts dans ce domaine, revendiquant des résultats exceptionnels. Ranga Dias, un physicien de l'Université de Rochester, est l'une de ces figures.

En 2020, l'équipe de Dias a publié un article de couverture dans Nature, affirmant avoir atteint la supraconductivité dans le système de carbone-soufre-hydrogène (CSH) à 267 GPa et 287 K (environ 15 degrés), marquant la première réalisation humaine de la supraconductivité à haute pression et à température ambiante.

Malheureusement, en septembre 2022, Nature a annoncé le retrait de l'article. Cependant, cela n'a pas découragé Dias, et en mars de l'année suivante, une autre avancée significative est apparue dans la communauté de la physique.

Lors de la réunion annuelle de mars de la Société américaine de physique à Las Vegas, Ranga Dias a annoncé l'invention d'un supraconducteur fonctionnant à température ambiante et près de la pression atmosphérique. Le supraconducteur est composé d'hydrogène, d'azote et du métal des terres rares lutécium, et il conduit avec succès un courant électrique sans résistance à 21 °C (294 K) et à une pression d'environ 1 GPa. L'étude a également été publiée dans Nature.

Analyse - Méthode de synthèse des supraconducteurs de l'équipe de recherche coréenne

La méthode de synthèse du matériau supraconducteur à température ambiante LK 99 de l'équipe de recherche coréenne a été analysée par un expert bien connu en science populaire. Le matériau est une apatite de plomb dopée au cuivre avec un paramètre de dopage de cuivre, x, d'environ 0,9 à 1,1.

Le processus de synthèse comprenait trois étapes :

1. Synthèse de la chalcopyrite : Des poudres d'oxyde de plomb et de sulfate de plomb ont été mélangées et chauffées à 725 °C pendant 24 heures en présence d'air, ce qui a donné naissance à la chalcopyrite.

2.Synthèse de cristaux de phosphure de cuivre : Des poudres de cuivre et de phosphore ont été mélangées et scellées dans un tube sous vide, puis chauffées à 550 °C pendant 48 heures pour former des cristaux de phosphure de cuivre.

3. Synthèse du matériau final : La chalcopyrite et les cristaux de phosphure de cuivre ont été broyés en poudre, mélangés et scellés dans un tube sous vide. Le tube scellé a ensuite été chauffé à 925 °C pendant 5 à 20 heures, conduisant à la transformation en matériau supraconducteur final. Pendant ce processus, l'élément soufre dans le sulfate de plomb s'est évaporé.

L'image présente les photos pendant la troisième étape : e est la poudre mélangée avant la réaction, f est l'échantillon scellé après la réaction, g est l'apparence de l'échantillon lorsqu'il est sorti, h et i sont les photos de l'échantillon obtenu.

Le matériau synthétisé avait une structure cristalline hexagonale et appartenait au système cristallin hexagonal. À l'état supraconducteur, l'échantillon formait une chaîne supraconductrice unidimensionnelle le long de la direction de l'axe c.

Les auteurs ont utilisé la méthode des quatre sondes pour mesurer la résistance de l'échantillon et ont observé un saut significatif de la résistance à environ 105 degrés Celsius, indiquant une transition supraconductrice. Cependant, la résistance n'a pas chuté immédiatement à zéro, ce qui est attendu car tous les électrons ne participent pas à la mise en paire de Cooper à des températures finies.

Le diamagnétisme, en particulier l'effet Meissner, a également été observé dans les échantillons, fournissant une preuve supplémentaire de la supraconductivité. La courant critique, le champ magnétique critique et la température critique des échantillons ont été mesurés, et la température critique a été trouvée à être aussi élevée que 400 Kelvin ou 127 degrés Celsius.

L'explication théorique de la température critique élevée impliquait la formation de métaux unidimensionnels ou quasi-unidimensionnels en raison du dopage au cuivre et d'une forte corrélation entre les électrons.

Ils ont utilisé la méthode des quatre sondes pour mesurer la résistance de l'échantillon 2 à un courant de 30 mA, et ont constaté qu'il y avait un saut évident de la résistance à environ 105 degrés Celsius, et ils ont estimé qu'une transition supraconductrice s'est produite à ce moment-là.

Cependant, la résistance ne saute pas directement à 0, mais saute d'abord à une valeur relativement faible. Après être entré dans la température inférieure, en dessous d'environ 60 degrés Celsius, la résistance est presque nulle. "Le professeur He des étoiles" a expliqué qu'en réalité, après qu'un supraconducteur entre dans l'état supraconducteur, la résistance n'est pas nécessairement strictement nulle. Cela s'explique par le fait que tous les électrons ne participent pas nécessairement à la mise en paire de Cooper à une température finie, et que les électrons non appariés peuvent encore contribuer à la résistance, surtout dans la région près de la température critique. L'auteur de l'article a conclu à partir des résultats de la mesure de résistance que le supraconducteur est un supraconducteur de type s (pour une explication détaillée, voir la vidéo de vulgarisation scientifique "Le professeur He des étoiles").

L'analyse du travail de l'article a conclu que la méthode de synthèse et les preuves expérimentales étaient complètes, et d'autres groupes de recherche devraient suivre et vérifier ces résultats bientôt, car l'expérience ne nécessite pas un environnement de haute pression, la rendant moins difficile que les expériences précédentes.

Controverse sur la supraconductivité à température ambiante

En 2020, le supraconducteur atteignant la plus haute température a été obtenu dans un système contenant du carbone et du sulfure d'hydrogène sous une pression ultra-haute, avec une pression de 267 GPa et une température critique de +15 °C. Le supraconducteur à température la plus élevée à pression atmosphérique normale est le supraconducteur à haute température à base de cuprate, qui présente une supraconductivité à une température de 138 K (−135 °C).

Les conditions requises pour atteindre la supraconductivité à température ambiante sont extrêmement rigoureuses, et les conditions actuelles ne permettent que la réalisation de la supraconductivité à des pressions extrêmement élevées ou à des températures extrêmement basses, sans parler de son coût élevé et de ses scénarios d'application limités.

S'il existait un matériau capable de réaliser la supraconductivité à des températures et des pressions normales et qu'il était relativement facile à obtenir, son apparition pourrait marquer le début d'une nouvelle révolution industrielle. Ses applications incluraient, entre autres, l'application à grande échelle des champs magnétiques, la manipulation de matériaux sans contact (comme le contrôle de la fusion nucléaire), la transmission de courant sans énergie, la communication à ultra-longue distance, de nouvelles formes d'énergie, etc., révolutionnant pratiquement tout ce qui dépend de l'électricité pour fonctionner. Cela pourrait être quelque chose qui n'était auparavant que de la science-fiction.

Signification - À propos de la supraconductivité à température ambiante

En prenant comme exemple les produits liés à l'électricité les plus courants, un supraconducteur sans résistance résoudrait complètement le problème des pertes d'énergie dues à la résistance. Les ordinateurs supraconducteurs n'auraient plus besoin de prendre en compte les problèmes de dissipation de chaleur, les rendant plus fins et augmentant considérablement leur vitesse de fonctionnement. La consommation d'énergie domestique serait considérablement réduite, et les véhicules électriques remplaceraient complètement les véhicules à combustion.

Dans l'industrie de la production et de la transmission d'énergie, de nombreux équipements fonctionnant à l'huile tels que les moteurs diesel et à essence seraient remplacés par des moteurs supraconducteurs, transformant complètement des industries telles que le pétrole, la chimie, l'aérospatiale et la métallurgie. En même temps, des fils supraconducteurs et des transformateurs fabriqués à partir de matériaux supraconducteurs pourraient transmettre l'électricité avec presque aucune perte, mettant ainsi fin au problème des pénuries d'électricité.

De plus, l'arrivée de matériaux supraconducteurs pourrait conduire au développement de trains à sustentation magnétique (maglev) à grande vitesse, et le transport ferroviaire à sustentation magnétique pourrait être mis en œuvre à grande échelle.

Dans un scénario plus digne de la science-fiction, la technologie de fusion nucléaire contrôlable pourrait devenir une réalité. Les scènes décrites dans "Le Problème à trois corps" pourraient devenir réalité, amenant l'humanité à se lancer dans l'univers et à réécrire l'histoire humaine.

Actuellement, la question des matériaux supraconducteurs à température ambiante et à pression atmosphérique a été classée en tête de la liste des sujets chauds. Étant donné que la reproduction des résultats est relativement simple, de nombreuses équipes tant nationales qu'étrangères travaillent probablement sans relâche pour reproduire les résultats expérimentaux.

En résumé, simplement prouver que la supraconductivité à température ambiante est réalisable constitue déjà un pas important en avant. Nous attendons avec impatience l'émergence d'un nouveau processus historique et de découvertes qui pourraient potentiellement changer le monde.

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