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L'énergie est probablement le plus grand défi du XXIe siècle. Parmi les outils dont disposent les physiciensphysiciens et les ingénieurs pour le relever, il y a la supraconductivité, découverte initialement en 1911 par le Hollandais Heike Kamerlingh Onnes. Cependant, pour que ce phénomène nous soit utile, il faudrait disposer de supraconducteurs à température ambiante, plus faciles et peu coûteux à fabriquer. Nous pourrions alors conduire l'électricité sans perte grâce à des câbles sur de longues distances, faire circuler des Maglev et peut-être même disposer de réacteurs à fusion contrôlée plus petits que le futur réacteur IterIter.
Un grand espoir est né à ce sujet en 1986 lorsque l'on a commencé à découvrir des supraconducteurs à hautes températures critiques avec des cuprates. Ces matériaux exotiquesexotiques pouvaient conduire l'électricité sans résistancerésistance, d'abord à plusieurs dizaines de kelvins (donc en utilisant de l'azoteazote liquideliquide, lequel est bien plus aisé à produire que l'hélium liquide), et maintenant à plus de 130 kelvins (-140 °C). Or, il est rapidement apparu que la supraconductivitésupraconductivité des cuprates ne pouvait pas être expliquée par la fameuse théorie développée par Bardeen, Cooper et Schrieffer (théorie BCS) en 1957.
Les paires de Cooper, la clé de la supraconductivité
Cette théorie est foncièrement quantique car elle repose sur le fait que la quantificationquantification de l'énergie des vibrationsvibrations du réseau cristallinréseau cristallin d'un solidesolide se traduit par l'existence d'analogues des photonsphotons, les quanta de lumièrelumière. Comme il s'agit d'ondes sonoresondes sonores se propageant dans un milieu matériel, on parle de phononsphonons. Dans les supraconducteurs conventionnels, ces phonons provoquent, en dessous d'une certaine température critique, la formation de ce qu'on appelle des paires de Cooper, des couples d'électronsélectrons de conduction qui peuvent se déplacer sans rencontrer de résistance.
Les paires de Cooper se forment aussi dans les cuprates mais, pour la majorité des physiciens du solide, pas à cause des phonons ou en tout cas pas exactement selon le mécanisme de la théorie BCS. D'autres chercheurs sont plus radicaux et font intervenir des interactions magnétiques entre les électrons. Si l'on comprenait vraiment ce qui se passe dans les cuprates, on pourrait peut-être concevoir de nouveau matériaux qui, eux, seraient supraconducteurs à des températures plus élevées et, dans l'idéal, à température ambiante.
Dans le sens des aiguilles d'une montre et en partant d'en haut à gauche, les physiciens Ivan Bozovic, Anthony Bollinger, Jie Wu et Xi He avec la machine qui leur a servi à produire, par épitaxie avec jet moléculaire, des films minces d'un composé d'oxyde de cuivre appelé LSCO. L'équipe a étudié ces films pour comprendre comment ils devenaient supraconducteurs à hautes températures. © Brookhaven National Laboratory
Bientôt des supraconducteurs à température ambiante ?
Le secret des cuprates est resté hors de portée des investigations des chercheurs depuis 30 ans. Toutefois, la situation est peut-être en train de changer si l'on en croit une publication faite dans le journal Nature et provenant d'une équipe de physiciens états-uniens travaillant au célèbre Brookhaven National Laboratory.
Ivan Bozovic et ses collègues se sont intéressés à une classe particulière de cuprates : les LSCO, pour Lanthanum strontiumstrontium copper oxide en anglais, ce qui veut dire qu'il s'agit de cristaux d'oxyde de cuivrecuivre dopés avec des atomesatomes de lanthanelanthane et de strontium. Ces cristaux sont difficiles à produire sous une forme pure, régulière, avec peu de défauts cristallins, une condition essentielle pour bien comprendre de quelles variations de paramètres dépend l'apparition d'une phase supraconductrice. Les chercheurs y sont pourtant parvenus en faisant croître, couche d'atomes après couche d'atomes (c'est-à-dire par épitaxie comme on dit dans leur jargon), 2.500 films minces de LSCO afin de les étudier soigneusement.
Ils ont découvert que la température critique d'apparition de la phase de supraconductivité dépendait du dopagedopage en strontium, c'est-à-dire de la quantité de cet élément entrant dans la formule chimique des LSCO. Or, l'augmentation de cette quantité fait décroître la densité des paires de Cooper. Les chercheurs ont montré qu'il y avait en fait un véritable lien causal entre l'augmentation de cette densité et celle de la température critique des LSCO ; les autres explications qui avaient été avancées pour expliquer le lien entre le dopage en strontium et les variations de températures n'étaient pas les bonnes.
Il s'agit d'une avancée importante mais on ne comprend toujours pas par quel mécanisme l'augmentation de la densité des paires de Cooper est produite. C'est probablement le prochain verrouverrou à faire sauter pour savoir si l'on pourra un jour disposer de supraconducteurs à température ambiante comme ceux imaginés dans le cadre de SupraDesign (un site et une exposition).
