Un nouveau pas en direction des supraconducteurs en conditions ambiantes

Au début du mois de Mars, une petite bombe a explosé dans le monde de la physique de la matière condensée avec l'annonce de l'obtention d'un matériau qui serait supraconducteur à température ambiante et avec des pressions qui bien qu'importantes ne sont pas particulièrement dures à obtenir. Il y a une forte polémique au sujet de la réalité de cette découverte et on le comprend aisément car un composé supraconducteur à température et pression vraiment ambiantes conduirait à une révolution technologique majeure. De tels matériaux, si en plus ils étaient faciles et peu coûteux à synthétiser, feraient faire des bonds de l'imagerie médicale aux transports en commun avec des maglevs, en passant par la fusion contrôlée.

Plusieurs pistes de recherche sont explorées partout dans le monde et tout dernièrement il y a eu une publication dans ce domaine intéressante. Futura y est d'autant plus sensible qu'elle expose une avancée scientifique venant notamment du physicien, chimiste et cristallographe russe Artem Oganov, dont le nom revient assez souvent sur le devant de la scène de la physico-chimie des matériaux à haute pression - Futura suit ses travaux depuis des années. Rappelons que ses recherches l'ont conduit dans plusieurs centres de recherche mondiaux de grande réputation, de l'université d'État de Moscou jusqu'à l'université Stony Brook en passant par l'University College London et l'ETH à Zurich. De retour en Russie et après avoir été membre un temps du mythique Institut de physique et de technologie de Moscou (MIPT pour Moscow Institute of Physics and Technology, Московский Физико-Технический институт en russe), il poursuit son exploration de la physique du solidesolide dans le cadre du Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) que l'on peut considérer comme l'équivalent russe du MIT aux États-Unis.

Un aimant flotte au-dessus d'un cuprate en phase supraconductrice baignant dans de l'azote liquide (autour de -200 °C). Les cuprates sont des supraconducteurs à haute température critique et ce sont, à l’heure actuelle, ceux qui présentent une supraconductivité aux plus hautes températures, environ 140 K (-133°C). Ce sont les seuls matériaux qui sont supraconducteurs aux températures de l’azote liquide. Ils font partie des supraconducteurs non conventionnels, car on ne s'explique pas leur existence à l'aide de la théorie standard de la supraconductivité. © J. Adam Fenster, University of Rochester photo

Avec des collègues chinois de l'université de JilinJilin, du Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research, Artem Oganov fait donc savoir aujourd'hui que la synthèse d'un polyhydrure de lanthanelanthane-cériumcérium prometteur pour faciliter les études de la supraconductivitésupraconductivité proche de la température ambiante a été réalisée. Le communiqué du Skoltech qui accompagne la publication dans Nature Communications explique que ce nouveau composé offre un compromis entre les polyhydrures de lanthane et de cérium en matière de refroidissement et de pression requis pour que se manifeste une transition de phasetransition de phase exhibant un état supraconducteur, permettant donc le transport d'un courant électriquecourant électrique avec une résistancerésistance nulle en raison d'effets quantiques.

Des polyhydrures comme laboratoire pour la quête des supraconducteurs exotiques

Si l'on fait un rapide état des recherches solidement établies sur les supraconducteurs à température et pression ambiante, on ne peut qu'être d'accord avec le communiqué de Skoltech qui explique que pour le moment on a un spectrespectre de matériaux avec à un extrême un polyhydrure de lanthane de formule LaH₁₀ qui est supraconducteur à -23 °C mais sous une pression de 1,5 million d'atmosphèresatmosphères. C'est typiquement le genre de pression qui nécessite un presse à enclumes de diamantsdiamants, tout comme dans les expériences sur l'obtention de l’hydrogène métallique il y a quelques années effectuées par une équipe de chercheurs français du CEA et du Synchrotron SoleilSoleil qui s'inscrit également dans les recherches sur les hydrures potentiellement supraconducteurs à hautes températures critiquestempératures critiques.

À un autre extrême, on a le cas bien connu des cupratescuprates qui sont supraconducteurs sous une pression atmosphériquepression atmosphérique, mais avec des températures inférieures à -140 °C.

Les chercheurs suspectaient qu'en raison du fait que le lanthane et le cérium sont deux atomesatomes très similaires (ils sont voisins dans le célèbre tableau de Mendeleïev) et qui forment en conséquence des composés analogues et peuvent souvent se substituer l'un à l'autre, on pouvait obtenir un polyhydrures LaH₉ avec du cérium se comportant comme un supraconducteur intéressant (LaH₁₀ et CeH₁₀ ainsi que Ce_H9 sont de fait des supraconducteurs) et ils avaient entrepris de tester l'hypothèse.

Le résultat obtenu est commenté par Artem  Oganov de la façon suivante :

« La très haute pression force le lanthane pur et l'hydrogènehydrogène dans la structure LaH₁₀. Mais si vous remplacez environ 1 atome de lanthane sur 4 par du cérium, cela réorganise la structure dans l'arrangement observé dans CeH₉. En ce sens, l'introduction du troisième élément modifie la structure que le matériau pur aurait autrement assumée. Et cet additif contribue à la stabilité : par rapport aux 1,5 million d'atmosphères dont vous avez besoin pour LaH₁₀, notre polyhydrure de lanthane-cérium est stable à seulement 1 million d'atmosphères. C'est à peu près la même pression que les polyhydrures de cérium nécessitent, mais ceux-ci ne présentent une supraconductivité qu'en dessous -158 °C, alors que le nouveau supraconducteur fonctionne à -97 °C. C'est donc un bon compromis, mais plus important encore, c'est une assurance que notre raisonnement est juste.

Les polyhydrures sont un eldorado pour la recherche fondamentale sur les supraconducteurs sous pression. Et en synthétisant notre nouveau composé, nous avons à la fois testé et affiné les outils et astuces utiles dans cette quête et fourni un matériau pratique pour des études ultérieures. »

On ne comprend pas encore très bien ce qui fait qu'un matériau peut devenir supraconducteur à des températures et des pressions moins exotiquesexotiques que celles des supraconducteurs dits conventionnels, comme le mercuremercure, par exemple. Même si, comme le pense Artem Oganov, les polyhydrures en général ne seront pratiquement jamais rendus supraconducteurs à la pression atmosphérique, on peut penser qu'en servant de laboratoire théorique ils nous livreront des clés pour concevoir des matériaux qui eux le seront et aussi à température ambiante. Peut-être faudra-t-il aller pour cela au-delà de la théorie BCS...