Supraconductivité près de la température ambiante

Les matériaux appelés supraconducteurs transmettent l'énergie électrique avec une efficacité de 100%. Ils ont un large éventail d'applications, telles que l'imagerie par résonance magnétique dans les hôpitaux. Cependant, ces applications ont été gênées, en grande partie parce que l'état supraconducteur n'existe qu'à des températures bien inférieures à la température ambiante (295 kelvins). Écrire dans La nature, Drozdov et al. publient plusieurs résultats clés qui confirment que, sous une pression supérieure à un million de fois supérieure à la pression atmosphérique sur la Terre, les composés d'hydrure de lanthane deviennent supraconducteurs à 250 K – une température supérieure à celle de tout autre matériau connu.

La supraconductivité a été découverte en 1911, le mercure est refroidi au-dessous de 4 K. La température en dessous de laquelle un matériau devient supraconducteur est appelée température critique. On s'est vite rendu compte qu'un état présentant une résistance électrique nulle pourrait être extrêmement utile si l'on pouvait trouver des matériaux dont les températures critiques étaient bien supérieures à 4 K. Au cours du siècle dernier, avec la découverte de plus en plus de supraconducteurs, le record de la température critique la plus élevée atteinte a progressé par à-coups vers l'objectif ultime de la température ambiante.

En 2014, certains auteurs du document actuel et leurs collègues ont brisé le précédent record de 164 K. Ils ont constaté que le sulfure d'hydrogène – un produit chimique responsable de l'odeur d'œufs pourris – se transforme en supraconducteur à une température d'environ 200 K, lorsqu'il est comprimé à près de 2 millions de fois la pression atmosphérique^,. Puis, en 2018, deux groupes de recherche indépendants ont signalé, presque simultanément, que les composés compressés d'hydrure de lanthane pourraient présenter une supraconductivité à des températures encore plus élevées, allant de 215 K à peut-être même jusqu'à 280 K (références 6–8).^–.

La caractéristique commune de ces supraconducteurs à sulfure d’hydrogène et à l’hydrure de lanthane est qu’ils sont riches en hydrogène et que la supraconductivité n’émerge que sous des pressions supérieures à environ un million de fois la pression atmosphérique. Dans ces conditions extrêmes, les liaisons chimiques peuvent être fortement altérées, induisant la formation de composés autrement instables. Dans le cas de l'hydrure de lanthane, une pression élevée semble stabiliser la formation d'un composé, LaH_dix, qui a une teneur en hydrogène beaucoup plus grande que ce qui est réalisable à pression ambiante^,.

Drozdov et al. atteint ces pressions extraordinairement élevées (environ la moitié de la pression au cœur de la Terre) en utilisant un dispositif appelé cellule à enclume de diamant. Ce dispositif pourrait tenir dans la paume de votre main et générer une pression en comprimant un échantillon, contenu dans une mince feuille de métal, entre deux diamants aplatis (Fig. 1). Cette configuration limite considérablement les types de mesure pouvant être effectués, car l’échantillon est minuscule (de l’ordre de 0,01 millimètre) et est entouré de toutes parts par une feuille et des diamants relativement massifs. De plus, pour obtenir des mesures électriques, les câbles électriques doivent entrer en contact avec l'échantillon, mais doivent rester isolés électriquement de la feuille.

Les auteurs ont surmonté ces difficultés expérimentales et mis au jour des preuves cruciales qui confirment la supraconductivité à haute température dans les composés d'hydrure de lanthane. Pour vérifier qu'un matériau est supraconducteur, les chercheurs recherchent généralement trois caractéristiques: zéro résistance électrique; une réduction de la température critique sous un champ magnétique appliqué; et une expulsion des champs magnétiques de l'intérieur du matériau lors du refroidissement (phénomène connu sous le nom d'effet Meissner). Drozdov et al. détecté les deux premières de ces signatures de supraconductivité. Le dernier critère – l’observation de l’effet Meissner – est pour le moment inaccessible car les échantillons sont trop petits.

La recherche de la supraconductivité à haute température dans les composés riches en hydrogène peut être liée aux prévisions made in 2004. Le raisonnement qui sous-tend ces prévisions repose sur une théorie selon laquelle, dans certaines circonstances, des éléments de faible masse atomique peuvent contribuer à des températures critiques élevées. L'hydrogène, en tant qu'élément le plus léger, est optimal pour les températures critiques élevées. Et, par cette logique, remplacer l’hydrogène par l’isotope plus lourd, le deutérium, devrait abaisser la température critique. Drozdov et al. ont observé cet effet isotopique et ont constaté que, par rapport aux échantillons d'hydrure de lanthane, la température critique dans les échantillons de deutéride de lanthane est inférieure presque exactement à la quantité prédite par la théorie.

D'un point de vue scientifique, ces résultats suggèrent que nous pourrions être en train de passer de la découverte des supraconducteurs par des règles empiriques, de l'intuition ou de la chance à une orientation par des prédictions théoriques concrètes. La température critique supraconductrice a longtemps été considérée comme l’une des propriétés les plus difficiles à calculer avec précision. Mais les expériences sur l'hydrogène sulfuré et l'hydrure de lanthane ont été motivées par des résultats informatiques qui anticipaient à la fois les pressions nécessaires et les températures critiques résultantes.^,. Ces succès théoriques remarquables semblent être motivés par des méthodes de calcul novatrices rendues possibles par les progrès de la puissance de calcul.

Quelle est l’importance pratique de la supraconductivité dans les matériaux synthétisés en quantités infimes à plus d’un million de fois la pression atmosphérique? La réponse dépend de la possibilité de récupérer les états supraconducteurs à la pression ambiante. Le diamant lui-même est un exemple de matériau qui se forme à haute pression mais est métastable à la pression ambiante. L’effort de fabrication de diamant synthétique a fourni une motivation importante pour le développement de méthodes à haute pression. Aujourd'hui, cependant, les diamants synthétiques sont cultivés en utilisant une technique à basse pression appelée dépôt chimique en phase vapeur. De manière optimiste, il pourrait éventuellement être possible d'utiliser des méthodes similaires à basse pression pour produire des composés supraconducteurs métastables découverts à l'origine à haute pression.

Dans les prochaines années, les expériences porteront probablement sur la recherche de la supraconductivité dans d'autres matériaux riches en hydrogène sous pression. Étant donné que seule une petite fraction des systèmes potentiellement riches en hydrogène ont été soumis à des expériences à ces pressions énormes, il semble plus probable que jamais que le rêve de la supraconductivité à la température ambiante puisse être réalisé dans un proche avenir. À ce stade, le grand défi consistera à passer des températures plus élevées nécessaires à des pressions plus basses.