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Publié le 20 février 2014
 
Les Echos 17/02/2014
 

LesEchos.fr

Mystères et défis de la supraconductivité

Par Yann Verdo | 17/02 | 06:00

 

Découverte en 1911, mais toujours pas complètement expliquée, la supraconductivité fascine les physiciens. S'ils parviennent à en réduire le coût, elle pourra aussi révolutionner nos vies.

Un aimant lévite au-dessus d'une pastille de matériau supraconducteur (ici un cuprate) refroidie dans de l'azote liquide à - 196 °C : c'est l'effet

Meissner. - Photo CNRS Photothèque/LPS/Julien Bobroff

 

 

A l'université de Towson, près de Baltimore dans le Maryland, deux physiciens d'origine russe, Igor Smolyaninov et Vera Smolyaninova, ont eu une idée un peu farfelue. Dans un article remarqué, livré en novembre dernier sur le site scientifique arXiv.org, ils proposent de fabriquer un drôle de millefeuille, constitué d'une alternance de couches de métamatériau et de matériau supraconducteur. Leur espoir ? Que cet empilement très serré (moins d'un millième de millimètre entre deux couches) permette de doper le caractère supraconducteur de l'ensemble. Découverte fortuitement en 1911 par le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes, la supraconductivité est un phénomène mystérieux qui pourra bien changer la face du monde… si les légions de physiciens et de chimistes qui travaillent dessus parviennent à la faire sortir des laboratoires pour la faire entrer dans nos vies. Le principe est simple : lorsqu'ils sont suffisamment refroidis, certains matériaux deviennent subitement supraconducteurs, n'offrant plus aucune résistance au passage du courant électrique. La solution à tous nos problèmes d'économie d'énergie ! Car, qui dit résistance électrique dit dissipation d'une partie de l'énergie transportée sous forme de chaleur. « 3.000 kilomètres de câbles électriques, c'est 3.000 kilomètres de pertes », souligne Ricardo Lobo, directeur de recherche au CNRS et patron du laboratoire de physique et d'étude des matériaux à l'ESPCI ParisTech. Avec un câble supraconducteur, plus de fuite, étanchéité garantie !

Comme un banc de poissons

Aux très basses températures, juste au-dessus du zéro absolu (zéro kelvin, - 273,15 °C), la supraconductivité n'a rien d'exceptionnel. « 45 des 90 éléments de la table périodique sont supraconducteurs, pour certains à pression ambiante et pour d'autres, comme l'oxygène, seulement à haute pression », indique Ricardo Lobo. Le problème survient quand on remonte l'échelle des kelvins pour se rapprocher des températures qui nous sont familières (exprimée en kelvins, la température ambiante se situe aux alentours de 300 K). Plus on s'éloigne du zéro absolu, plus le nombre de matériaux supraconducteurs s'amenuise. Les physiciens ont réussi à trouver des composés au mercure qui, sous haute pression, sont encore supraconducteurs à 164 K (- 109 °C). C'est ce record que cherchent à améliorer les Smolyaninov avec leurs métamatériaux. Pour les physiciens, la température est une mesure du degré d'agitation des atomes : plus on s'approche du zéro absolu, plus leurs mouvements désordonnés (dans un gaz ou un liquide) ou leurs vibrations (dans un solide) diminuent d'intensité. Ce « calme » relatif permet aux milliers de milliards de milliards d'électrons d'un matériau de troquer leurs propres mouvements chaotiques de va-et-vient d'un atome à l'autre contre un seul mouvement d'ensemble, uniforme et ordonné. Un peu comme quand une myriade de poissons frétillant chacun de son côté décident de se coordonner pour former un banc compact. Stratégie efficace qui permet aux électrons, vecteurs du courant électrique, de ne plus être entravés dans leur mouvement par les mailles très serrées du réseau d'atomes : le matériau « supraconduit ». Telle est en substance l'explication de la supraconductivité conventionnelle, formulée en 1957 par un trio de physiciens américains, John Bardeen, Leon Neil Cooper et John Robert Schrieffer, et connue sous le nom de « théorie BCS ». Par définition, cette explication n'est valable qu'aux basses températures, lorsque les constituants atomiques de la matière sont suffisamment figés, c'est-à-dire lorsqu'ils ont été refroidis au-dessous d'une certaine « température critique ». Après de savants calculs, les théoriciens de l'époque ont estimé que la supraconductivité devenait impossible au-delà d'une trentaine de kelvins (- 240 °C). Mais en 1986 deux autres phy siciens travaillant dans un laboratoire d'IBM à Zurich découvrent le premier d'une longue série de composés chimiques, les cuprates, restant supraconducteurs bien au-delà de ce seuil de 30 K. Problème : cela fait près de trente ans que les physiciens se creusent les méninges pour comprendre par quel autre mécanisme (que celui de la théorie BCS) les cuprates ont cette propriété. La supraconductivité présente donc deux visages : une face familière (qu'il a fallu près de cinquante ans pour percer à jour) et une face « noire », encore aujourd'hui totalement mystérieuse, enflammant l'imagination des théoriciens du monde entier.

 

Le Graal de la physique

Inexpliquée, cette supraconductivité dite parfois « exotique » a en tout cas fait faire un bond de géant dans la course à la plus haute température critique possible. Au milieu des années 1980, le record de « chaud » était détenu par un composé, le niobiumgermanium, devenant supraconducteur à 23 K (- 250 °C) - un froid intersidéral accessible uniquement avec l'hélium liquide. Après la révolution des cuprates en 1986, ce plafond de verre fut brisé et le record passa en quelques mois à 125 K (- 148 °C). Franchissant au passage la barrière de 77 K (- 196 °C), ce qui mettait la supraconductivité à la portée non plus du seul hélium liquide, mais aussi de l'azote liquide, beaucoup moins coûteux. « Le record de température critique date déjà de plusieurs années et l'on ne parvient pas à faire mieux », commente Ricardo Lobo. Pas parce que physiciens et chimistes se reposent sur leurs lauriers, mais parce qu'il y a à ce blocage des raisons fondamentales, tenant à la nature même du phénomène de supraconduction. La question sur toutes les lèvres est de savoir si l'on trouvera un jour des matériaux supraconducteurs à température ambiante, ce qui débarrasserait la supraconduction de son encombrante béquille, les systèmes cryogéniques. Ce Graal de la physique, qui bouleverserait l'économie mondiale et nos vies quotidiennes, semble encore bien loin. « Nous n'y parviendrons pas dans le cadre des théories connues. Une autre physique est à inventer », estime Ricardo Lobo. L'idée des Smolyaninov d'utiliser les métamatériaux lui semble-t-elle un pas dans la bonne direction ? « C'est une piste à explorer. En tout cas, si nous voulons avoir une chance d'atteindre cet objectif, il faut que nos agences de financement acceptent de mettre de l'argent dans des projets un peu décalés comme le leur. »

Yann Verdo

Les trois champs d'application de la « supra »

Transport d'électricité

A diamètre égal, un câble supraconducteur permet de faire passer plus de courant qu'un câble traditionnel, et ce, sans dissipation de chaleur, c'est-à-dire sans perte d'énergie.  

Champs magnétiques

Quand le courant électrique passe dans une bobine, cela génère un champ magnétique. Avec une bobine supraconductrice, il suffit de la charger une fois, puis de la débrancher, pour que le courant y circule perpétuellement. Les appareils IRM des hôpitaux sont équipés de telles bobines.

Lévitation

Découvert en 1933, l'effet Meissner stipule qu'un matériau supraconducteur repousse le champ magnétique d'un aimant : si on lâche un aimant au-dessus d'une pastille supraconductrice, il restera en l'air. Cette lévitation a de nombreuses applications, dont les trains à lévitation magnétique qui évitent tout frottement avec les rails, à l'instar du japonais JR-Maglev, détenteur du record du monde de vitesse (581 km/h).  

Écrit par Yann VERDO

Journaliste

yverdo@lesechos.fr  

 
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