Des physiciens battent le record de température en supraconductivité

Kelly Schafler

Des chercheurs du Texas Center for Superconductivity (TcSUH) et du département de physique de l’Université de Houston ont battu le record de température pour la supraconductivité à pression ambiante — une percée qui pourrait finalement conduire à des moyens plus efficaces de générer, transmettre et stocker l’énergie.

L’équipe de l’UH a atteint une température de transition (Tc) de 151 Kelvin (environ moins 122 degrés Celsius) sous pression ambiante — la plus haute jamais enregistrée pour tous les supraconducteurs rapportés à pression ambiante depuis la découverte de la supraconductivité en 1911. La température de transition est le point en dessous duquel un matériau devient supraconducteur, ce qui signifie que l’électricité peut y circuler sans résistance.

Augmenter cette température a été un objectif majeur de la recherche en supraconductivité pendant des décennies. Plus les scientifiques pourront rapprocher la Tc de la température ambiante, plus les technologies supraconductrices pourraient devenir pratiques et abordables.

La recherche des physiciens de l’UH Ching-Wu Chu et Liangzi Deng a été publiée le 9 mars dans les Proceedings of the National Academy of Sciences. Les travaux ont été financés par Intellectual Ventures, une entreprise mondiale d’invention et d’investissement, l’État du Texas via le TcSUH et d’autres fondations.

« La transmission de l’électricité dans le réseau entraîne une perte d’environ 8 % de l’électricité », a déclaré Chu, professeur de physique, directeur fondateur du TcSUH et auteur principal de l’article. « Si nous conservons cette énergie, cela représente des milliards de dollars d’économies et cela nous évite également beaucoup d’efforts et réduit les impacts environnementaux. »

Les supraconducteurs permettent à l’électricité de circuler sans résistance, ce qui les rend utiles pour améliorer les réseaux électriques, construire des systèmes avancés d’imagerie médicale, permettre les technologies de fusion nucléaire et développer une électronique plus rapide. Cependant, la plupart des supraconducteurs doivent être refroidis à des températures extrêmement basses, ce qui les rend coûteux et difficiles à utiliser.

« Une fois que nous ramenons le matériau à la pression ambiante, il devient beaucoup plus accessible pour les scientifiques d’utiliser des instruments bien développés pour l’étudier et développer davantage de technologies pour des opérations dans des conditions ambiantes », a expliqué Deng, professeur assistant de physique, chercheur principal au TcSUH et auteur principal de l’article.

Franchir la barrière de température

Pendant plus d’un demi-siècle, les scientifiques ont progressé régulièrement dans leur recherche de nouveaux types de matériaux supraconducteurs avec une Tc plus élevée. Une découverte révolutionnaire en 1987 par Chu et ses collègues a révélé qu’un matériau appelé YBCO atteint la supraconductivité à moins 180 degrés C, soit 93 K, ouvrant la course mondiale au développement de supraconducteurs à haute température.

Par la suite, une céramique à base de cuivre-oxyde et de mercure, connue sous le nom de Hg1223, qui devient supraconductrice jusqu’à moins 140 degrés C, soit 133 K, a été découverte en 1993 et a détenu le record de Tc à pression ambiante jusqu’à présent.

L’équipe de l’UH l’a augmentée de 18 degrés C pour atteindre 151 K.

Cette avancée a été rendue possible grâce à une technique connue sous le nom de trempe sous pression — une nouvelle approche pour les supraconducteurs, bien que couramment utilisée dans d’autres domaines comme la création de diamants. Dans cette méthode, les chercheurs appliquent d’abord une pression intense sur le matériau pour améliorer ses propriétés supraconductrices et augmenter sa température de transition.

Pendant que le matériau est sous pression, il est refroidi à une température spécifique et rapidement libéré de la pression complètement, « verrouillant » efficacement les propriétés supraconductrices améliorées. En utilisant cette méthode, les chercheurs ont pu préserver la Tc plus élevée même après la suppression de la pression, permettant au matériau de rester stable dans des conditions normales.

« D’autres chercheurs ont montré qu’atteindre la supraconductivité à température ambiante sous pression est réalisable », a indiqué Chu. « Notre méthode montre qu’il est possible de conserver cet état sans maintenir la pression. »

Faire avancer la recherche

Bien que la supraconductivité à température et pression ambiantes — autour de 300 K — reste l’objectif ultime, les chercheurs ont déclaré que ce nouveau record représente une étape importante et significative dans le monde de la supraconductivité.

« Cette découverte a un grand potentiel », a souligné Chu. « Nous croyons, avec suffisamment de personnes qui y travaillent et avec suffisamment de temps, que nous devrions être en mesure de réaliser ce potentiel. »

Chu et Deng sont également co-auteurs d’un article de perspective complémentaire du principal bailleur de fonds de l’étude, Intellectual Ventures. L’article complémentaire, également publié dans PNAS, décrit six méthodes différentes pour ajuster ou transformer les matériaux afin d’atteindre une supraconductivité à plus haute température, dont la trempe sous pression, a déclaré Rohit Prasankumar, directeur de la recherche en supraconductivité chez Intellectual Ventures.

« La supraconductivité à température ambiante est considérée comme un « graal » par les scientifiques depuis plus d’un siècle », a affirmé Prasankumar. « Le résultat de l’équipe de l’UH montre que cet objectif est plus proche que jamais. Cependant, l’écart entre le nouveau record établi dans cette étude et la température ambiante est encore d’environ 140 degrés C. Combler cet écart nécessitera des efforts concertés et intentionnels de la part de la communauté scientifique au sens large, y compris des scientifiques des matériaux, des chimistes, des ingénieurs et des physiciens. »

Journal : Proceedings of the National Academy of Sciences – Article : https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2520324123 | DOI : 10.1073/pnas.2520324123

Source : Houston U.