À quel point sommes-nous proches des supraconducteurs réellement pratiques ?

En 1911, le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes a opéré un changement de paradigme. découverte: à quelques degrés au dessus du zéro absolu, le mercure perd complètement sa résistance électrique. Cela signifiait que, dans de bonnes conditions, les courants électriques pouvaient voyager indéfiniment sans perdre de puissance lorsqu'ils traversaient la matière.

Les scientifiques se sont vite rendu compte que cette fonctionnalité, baptisée supraconductiviténe se limitait pas au mercure. Des effets mécaniques quantiques spécifiques permettent la supraconductivité, de sorte que d’autres éléments pourraient présenter ces propriétés dans de bonnes conditions. Finalement, les physiciens ont trouvé un moyen d'intégrer des matériaux supraconducteurs dans des fils et des aimants, ce qui a ouvert de toutes nouvelles voies pour tester et utiliser des phénomènes quantiques étranges. Par exemple, notre meilleur ordinateurs quantiques et accélérateurs de particules dépendent de matériaux supraconducteurs pour fonctionner. Vous n'avez même pas besoin d'être physicien pour en avoir côtoyé un si vous avez déjà passé une IRM.

Malheureusement, les supraconducteurs nécessitent encore des températures incroyablement basses pour fonctionner, ce qui complique les choses. Par exemple, dans le cas des ordinateurs quantiques, la réduction du bruit et la correction des erreurs restent un obstacle majeur nécessitant des températures Kelvin proches de zéro pour leurs qubits.

Naturellement, les scientifiques souhaitent augmenter le seuil de température des supraconducteurs – pour développer des supraconducteurs « à température ambiante », pour ainsi dire. Le jury ne sait toujours pas si cela est réalisable. Mais les chercheurs ont travaillé dur pour trouver de nouvelles combinaisons et conceptions permettant d’amener les supraconducteurs dans des conditions de plus en plus chaudes. Et ils ont fait des progrès à cette fin.

Pour ce Giz Asks, nous avons demandé aux chercheurs une analyse du statu quo. Quel genre de progrès la communauté a-t-elle réalisé ces derniers temps ? Quels sont les candidats prometteurs pour les supraconducteurs à température ambiante (ou quelque part dans ce régime) ? Quels sont les défis qui restent à relever pour les chercheurs et comment les relèvent-ils ? Les réponses suivantes peuvent avoir été légèrement modifiées pour des raisons de longueur et de clarté.

Hanyu Liu

PhysicienLaboratoire clé des méthodes et logiciels de simulation de matériaux du ministère de l'Éducation ; Université de Jilin, Chine.

Au cours de la dernière décennie, la recherche sur les supraconducteurs a connu des progrès majeurs, principalement grâce à l’étude en plein essor des supraconducteurs à hydrure sous haute pression. Même ainsi, les supraconducteurs pratiques à température ambiante sont encore loin de la réalité. La plupart de ces matériaux hydrures ne fonctionnent que sous une pression énorme, bien supérieure à la pression atmosphérique normale, ce qui rend leur utilisation quotidienne peu probable.

Il existe également des candidats prometteurs mais moins connus, notamment des composés à base de bore et des hydrures récemment découverts qui fonctionnent à des pressions relativement inférieures. Il est peu probable que nous obtenions un supraconducteur à pression ambiante et à température ambiante pour l’électronique grand public dans les 10 à 15 prochaines années. Ce que nous verrons probablement plus tôt, c’est une utilisation plus large des supraconducteurs à haute température refroidis à l’azote pour les réseaux électriques et les équipements spécialisés, et non pour les appareils électroménagers.

Liangzi Deng et Paul CW Chu

Physiciens, Université de Houston (UH). Deng et Chu contribué à récent travail publié dans les Actes de la National Academy of Sciences (PNAS) qui a établi un nouveau record de supraconductivité à pression ambiante.

La bonne nouvelle est que nous nous en rapprochons, mais « pratique » signifie plus que simplement atteindre une température de transition supraconductrice (Tc) élevée. Le premier supraconducteur (YBCO) avec une Tc (93 K) supérieure au point d'ébullition de l'azote liquide (77 K) a été découvert par Chu et ses collègues en 1987. Pendant de nombreuses années, certaines des températures supraconductrices les plus élevées n'ont été atteintes que sous d'énormes pressions, ce qui rend ces états extrêmement difficiles à utiliser en dehors des laboratoires spécialisés. Un changement potentiellement important consiste à considérer la pression non pas comme une condition qui doit être maintenue pour toujours, mais comme un outil de traitement : utiliser la pression pour créer un état désirable, puis trouver un moyen de conserver cet état une fois la pression supprimée.

C’est l’idée derrière le protocole de trempe sous pression récemment développé sur les supraconducteurs, dirigé par notre équipe de l’UH. L'approche a déjà retenu supraconductivité améliorée par la pression dans FeSe à pression ambiante, suivie de phases supraconductrices induites par la pression dans d'autres matériaux tel que Bi0.5Sb1.5Te3. Plus récemment, la trempe sous pression a augmenté le Tc supraconducteur à pression ambiante de HgBa₂Ca₃Cu₃O₈+δ à 151 K, dépassant le précédent record de pression ambiante de 133 K qui durait depuis plus de trois décennies.

Cela ne signifie pas que des câbles d’énergie supraconducteurs pratiques ou des composants électroniques basés sur des matériaux trempés sous pression soient à portée de main. Les prochains défis sont de taille : rendre les états retenus plus stables thermiquement et temporellement, comprendre ce qui les stabilise réellement, augmenter la taille de l'échantillon, démontrer un traitement reproductible et, finalement, montrer les courants critiques utiles sous des formes telles que des fils, des bandes ou des films. Mais l’extinction sous pression change la question d’une manière intéressante. Au lieu de demander seulement : « Jusqu’où la Tc peut-elle atteindre sous pression ? » nous pouvons désormais également nous demander : « Pouvons-nous rapporter avec nous les propriétés créées par la pression ? Si cette stratégie s’avère générale et évolutive, elle pourrait réduire considérablement l’écart entre les découvertes spectaculaires à haute pression et les supraconducteurs réellement utilisables.

Zi-Kui Liu

Scientifique des matériauxUniversité d'État de Pennsylvanie.

La supraconductivité a fait des progrès remarquables, notamment en démontrant des températures de transition très élevées dans des matériaux riches en hydrogène sous des pressions extrêmement élevées. Cependant, je serais prudent avant de prédire quand un supraconducteur à température ambiante ou proche de la température ambiante deviendra une technologie pratique. Une Tc élevée en soi n'est pas suffisante : un matériau utile doit également être stable à la pression ambiante ou à une pression proche, supporter des courants électriques et des champs magnétiques importants, être mécaniquement robuste, fabriqué à grande échelle et économiquement viable. À l’heure actuelle, je ne pense pas que nous connaissions un matériau qui satisfasse simultanément à ces exigences, je ne mettrais donc pas de calendrier fiable sur les supraconducteurs grand public pratiques.

Une orientation importante, à mon avis, consiste à comprendre non seulement comment créer un état supraconducteur, mais aussi comment la structure atomique et électronique peut protéger cet état contre les fluctuations thermiques. Dans nos travaux récentsnous proposé une configuration supraconductrice à symétrie brisée (SCC) et des tunnels unidimensionnels droits (SODT) identifiés dans la différence de densité de charge entre les configurations supraconductrices et normales. Nous avons trouvé ces caractéristiques dans les supraconducteurs conventionnels et non conventionnels, notamment YBCO. Dans YBCO, nous avons proposé qu'une structure de « ponton » en couches, avec une liaison relativement faible entre les couches supraconductrices et la masse environnante, contribue à protéger ces structures électroniques liées à la supraconductivité contre les perturbations thermiques et contribue ainsi à son TC relativement élevé.

Nous avons également déposé une demande de brevet provisoire, « Méthode d'identification et de prévision de la supraconductivité basée sur des tunnels à densité de charge brisée par symétrie et des structures de pontons ». Nous travaillons actuellement à étendre ce cadre pour comprendre la stabilité thermodynamique de ces configurations à température finie en utilisant notre théorie Zentropy et, à terme, pour l'utiliser pour la prédiction et la conception de nouveaux matériaux supraconducteurs.

Matt Julian et Rohit Prasankumar

Fonds pour la science d'entrepriseEntreprises intellectuelles. Avec Deng et Chu, julien et Prasankumar co-auteur de l'article PNAS qui a établi un nouveau record de supraconductivité à pression ambiante. Intellectual Ventures était l'un des bailleurs de fonds du projet.

Un supraconducteur à température ambiante et à pression ambiante constitue sans doute le plus grand défi non résolu en physique de la matière condensée, avec le potentiel de transformer la société à l’échelle d’Internet ou de l’intelligence artificielle. Nous sommes assez optimistes et pensons que, malgré les récentes affirmations discréditées et la controverse en cours, nous sommes plus proches que jamais de la réalisation de matériaux supraconducteurs pratiques et commercialisables pour de telles applications. Notre compréhension de la supraconductivité est plus approfondie que jamais, et les outils disponibles pour l'appliquer (des techniques de fabrication avancées aux simulations des premiers principes accélérées par GPU) n'ont jamais été aussi puissants. Mais bien sûr, la compréhension et les capacités ne suffiront pas à nous y amener.

Il est tentant de considérer la prédiction comme la destination : si nous pouvons identifier informatiquement un matériau candidat, soit par des calculs complexes de principes fondamentaux chargés de physique, soit par des méthodes statistiques par force brute, le succès semble à notre portée. Mais prédire un matériau supraconducteur ne suffit pas. Nous devons prédire les supraconducteurs qui peuvent réellement être synthétisés et, plus difficile encore, synthétiser ce que nous prédisons. Nous devons également développer des méthodes permettant d’améliorer de manière prédictive la supraconductivité grâce à une ingénierie délibérée des caractéristiques structurelles et électroniques qui régissent le comportement supraconducteur. L’exploitation de matériaux présentant une supraconductivité non conventionnelle sera également un élément essentiel pour atteindre la température ambiante. Chacun de ces objectifs nécessite beaucoup de nuances, de complexité et de travail de synthèse stimulant. Pour y parvenir, il faudra une créativité humaine issue de nombreuses traditions scientifiques différentes travaillant en véritable concert.

Passer de la découverte d’un supraconducteur à haute température à la découverte d’un supraconducteur à haute température pratique s’accompagne d’une complexité supplémentaire considérable. Un matériau pratique devra être étiré en fils ou en bandes et enroulé, ou déposé sous forme de film ou de revêtement, ou encore être compatible avec les processus de fonderie de semi-conducteurs. Chacun d’entre eux possède des propriétés matérielles critiques différentes, et la modélisation précise de celles-ci pour des matériaux véritablement nouveaux présente des défis importants. Nous devons donc surmonter le défi de la sélection informatique du caractère « pratique » pour éviter d’avoir besoin d’un nombre massif d’expériences complexes. Nous devons ensuite trouver des moyens d’éviter le cycle de développement traditionnel de 20 ans entre la découverte des matériaux et leur adoption commerciale.

Notre voie à suivre est une approche multidisciplinaire étroitement intégrée qui rassemble des physiciens de la matière condensée, des chimistes, des scientifiques des matériaux, des expérimentateurs, des théoriciens et des ingénieurs informaticiens en étroite collaboration. Nous devons dépasser les frontières disciplinaires, échanger des connaissances et construire des cadres communs pour résoudre non seulement les défis que nous comprenons déjà, mais aussi ceux qui restent insaisissables. Nous en savons plus que jamais, mais il reste encore beaucoup à apprendre. L’opportunité est immense, et cette incertitude est en fait l’indication la plus claire que les plus grandes découvertes dans ce domaine sont encore à venir.

Giz Asks est une série récurrente de Gizmodo dans laquelle des experts répondent à de grandes questions dans leurs propres mots, offrant une gamme de perspectives sur les idées, les découvertes et les débats qui affectent nos vies et façonnent notre compréhension du monde.