Quelques picosecondes de supraconductivité à température ambiante

Depuis que la supraconductivité a été découverte en 1911 par le prix Nobel de physique Heike Kamerlingh Onnes, elle a fait l'objet de nombreuses études. Plusieurs théoriciens de très grand talent s'y sont intéressés, comme Lev Landau et Vitaly Ginzburg en Russie, Pierre-Gilles de Gennes en France et bien sûr John Bardeen, Leon Cooper et John Robert Schrieffer. Ces trois chercheurs, en proposant en 1957 la théorie BCS, ont réussi à expliquer le phénomène découvert par Onnes (à savoir l'apparition d'une transition de phase en dessous d'une certaine température dite critique conduisant à l'annihilation de la résistancerésistance d'un matériau) en utilisant les lois de la mécanique quantique.

Malheureusement, la théorie BCS ne semble fonctionner que pour les supraconducteurs dits conventionnels. Il s'agit de matériaux supraconducteurs bien connus tels que le mercuremercure, qui n'exhibent l'annihilation de la résistivitérésistivité qu'à des températures inférieures à 10 K environ. Mais en 1985, une classe particulière de matériaux qui devenaient supraconducteurs à 35 K, des céramiquescéramiques baptisées cupratescuprates, fut découverte. Peu de temps après, on dépassait la température de liquéfactionliquéfaction de l'azoteazote (77 K) avec des cuprates de formule YBa₂Cu₃O₇.

Quelques picosecondes de supraconductivité avec un laser

Baptisés YBCOYBCO, ces supraconducteurs à haute température critiquetempérature critique ont tout de suite fait l'objet de recherches intenses avec l'espoir de comprendre l'origine du mécanisme responsable d'un tel saut dans la température critique de transition de phase. L'espoir était, et est toujours, d'en tirer la clé pour produire de nouveaux matériaux qui, eux, seraient supraconducteurs à température ambiante. Notre technologie et même notre vie quotidienne en seraient bouleversées. On peut s'en faire une idée en regardant les vidéos de l'exposition SupraDesign qui a été consacrée aux applicationsapplications possibles des supraconducteurs à température ambiante.

Les supraconducteurs ont tout de même connu de multiples applications technologiques ces dernières décennies. Ils ont permis la création du LHCLHC et la découverte du bosonboson de Brout-Englert-Higgs. On les utilise pour créer des tokamaks comme celui d'IterIter et même, désormais, pour conduire de l'électricité sans perte dans des villes. Mais le Graal de la supraconductivité à température ambiante restait inaccessible... jusqu'à une publication récente dans Nature, du travail d'une équipe internationale de physiciensphysiciens. En 2013, ces chercheurs ont découvert qu'en soumettant un oxyde mixte de baryumbaryum de cuivrecuivre et d'yttriumyttrium à des impulsions laser dans le domaine de l'infrarougeinfrarouge, ils pouvaient obtenir pendant une infime fraction de seconde un état supraconducteur à température ambiante dans ce YBCO. En étudiant de plus près le phénomène à l'aide des rayons Xrayons X disponibles à Stanford avec la fameuse Linac Coherent Light Source (LCLS), ils pensent être sur la piste conduisant à l'élucidation du mécanisme responsable de son apparition, qui ne dure pour le moment que quelques millionièmes de microseconde.

Paires de Cooper et effet tunnel, les clés de la supraconductivité

L'YBCO est constitué de minces doubles couches d'oxyde de cuivre qui alternent avec des couches épaisses qui contiennent aussi du baryum. La supraconductivité repose sur la formation de ce qu'on appelle des paires de Cooper, c'est-à-dire l'appariement d'électronsélectrons qui peuvent alors se comporter comme des particules d'un superfluidesuperfluide quantique s'écoulant sans résistance dans un solidesolide. Dans le cas d'un YBCO, il se produit aussi un autre phénomène quantique important, l'effet tunnel, lequel permet aux paires de Cooper de passer à travers les couches épaisses d'oxyde de cuivre et de baryum. C'est ce phénomène, qui couple en quelque sorte les couches minces malgré les plus épaisses, qui permettrait d'atteindre la transition de phase à une haute température critique.

Selon les physiciens, les impulsions laserlaser font changer temporairement la position des atomesatomes dans la céramique de sorte que les doubles couches d'oxyde de cuivre deviennent plus épaisses de deux picomètres alors que les autres couches deviennent plus minces d'autant. Il en résulterait une augmentation du couplage entre les couches minces et donc une augmentation de la température critique de la transition de phase conduisant à l'état supraconducteur.

Il ne faudrait pas croire pour autant ni que l'on bénéficie enfin d'une bonne théorie de la supraconductivité pour les supraconducteurs exotiquesexotiques à haute température critique ni que l'on dispose vraiment de supraconducteurs à température ambiante utilisables pour des applications technologiques dans l'industrie. Mais peut-être n'est-on plus très loin de toucher au but...