Mieux comprendre la supraconductivité à "haute température"

Transporter de l'énergie sans aucune perte, voyager dans des trains à lévitation magnétique, faire de l'imagerie médicale (IRM) avec de tout petits appareils: des rêves qui se concrétiseront lorsque l'on disposera de matériaux supraconducteurs (1) à température ambiante. Des chercheurs du CNRS ont fait un pas en avant sur la route qui mène à cet objectif ultime.

Ils ont mis en évidence la nature métallique d'une classe de matériaux supraconducteurs dits à haute température critique. Ce résultat, publié dans la revue Nature du 31 mai 2007, était attendu depuis 20 ans. Il ouvre la voie à la compréhension du phénomène et permet d'envisager sa description théorique globale.


La supraconductivité est un état de la matière caractérisé par une résistance électrique nulle et une imperméabilité au champ magnétique. Déjà utilisée dans l'imagerie médicale par exemple (appareils d'IRM), elle pourrait avoir des applications spectaculaires dans l'acheminement et le stockage d'énergie électrique sans perte, le développement de moyens de transports basés sur la lévitation magnétique, les communications sans fils ou encore l'ordinateur quantique. Mais pour l'instant, ces applications sont limitées par le fait que la supraconductivité ne se manifeste qu'à très basse température. Il a d'ailleurs fallu attendre la mise au point de la liquéfaction de l'hélium liquide (4,2 Kelvin, soit -269 °C) pour que la supraconductivité soit découverte en 1911 (découverte récompensée par le prix Nobel deux ans plus tard).

Depuis la fin des années 1980 (prix Nobel en 1987), les chercheurs ont réussi a obtenir des matériaux supraconducteurs à "haute température": l'azote liquide (77 K, soit -196 °C) suffit à rendre certains de ces composés (à base d'oxyde de cuivre) supraconducteurs. Le record de température critique (la température de transition de phase au-dessous de laquelle la supraconductivité se manifeste) est aujourd'hui de 138 K (soit – 135 °C). Cette nouvelle classe de supraconducteurs, plus faciles et mois coûteux à utiliser, a relancé la course aux températures critiques, dont le but ultime est l'obtention de matériaux supraconducteurs à température ambiante. Mais les chercheurs ont jusqu'ici été limités par des questions fondamentales: quelle est l'origine de cette supraconductivité à l'échelle microscopique ? Comment les électrons se comportent-ils dans ces matériaux ?

Des chercheurs du Laboratoire national des champs magnétiques pulsés, en collaboration avec les chercheurs de Sherbrooke, ont observé des "oscillations quantiques", grâce à leur expertise dans les champs magnétiques intenses. Ils ont soumis leurs échantillons à un champ magnétique allant jusqu'à 62 Teslas (un million de fois le champ magnétique terrestre), à très basse température (entre 1,5 K et 4,2 K). Le champ magnétique détruit l'état supraconducteur. L'échantillon, alors dans l'état normal, présente une oscillation de la résistance électrique en fonction du champ magnétique. Cette oscillation est caractéristique des métaux: cela signifie que, dans les échantillons étudiés, les électrons ont le même comportement que dans les métaux usuels.

Les chercheurs vont s'appuyer sur ce résultat, attendu depuis 20 ans, pour comprendre la supraconductivité à haute température critique, qui résistait jusqu'ici à la modélisation. Cette découverte fait le ménage dans la foison de théories qui avaient vu le jour pour expliquer le phénomène et apporte une base concrète pour établir une nouvelle théorie. Elle permettra de concevoir des matériaux plus performants, dont la température critique se rapproche de la température ambiante.

Note: (1) matériaux qui n'offrent aucune résistance au courant électrique.

Légende de l'illustration:
Expérience de lévitation magnétique. La voiture contient deux disques de YBa2Cu3O7 un matériau supraconducteur à haute température critique refroidi à l'azote liquide. La route constituée d'aimants crée un champ magnétique qui ne peut pas pénétrer la voiture. Tout se passe comme si le champ magnétique était un très fort courant d'air qui soulèverait la voiture. En l'absence de frottement, il suffit alors de donner une impulsion de départ à la voiture pour qu'elle avance (indéfiniment) sur la route.