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Enfin, supraconductivité à température ambiante!

À haute pression, l’hydrogène devient métallique. L’ajout d’atomes de soufre peut alors le transformer en un matériau supraconducteur. Nous le savions déjà mais ce qui est nouveau, c’est que les chercheurs ont maintenant réussi à obtenir cet état à température quasi ambiante, 15 ° C, en y ajoutant également du carbone. Seul bémol pour ce succès sans précédent avec un supraconducteur, le sulfure d’hydrogène carboné doit être maintenu à une pression de plusieurs millions d’atmosphères.

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Il est difficile de ne pas être fasciné par la supraconductivité. Cette propriété quantique qui, entre autres prouesses, fait léviter des objets, est aujourd’hui au centre d’un grand nombre de recherches de pointe. Voici un aperçu vidéo des plus belles lévitations quantiques.

Imaginez un monde où Diagnostique soins médicaux précoces pour cancers et le Accident vasculaire cérébral obtenu avec un IRM sont aussi faciles à fabriquer et répandus que ceux fabriqués par ultrason ou avec rayons X classique. Imaginez un monde où le transport deénergie l’électricité se fait sans perte – ce qui contribuerait à une transition écologique en douceur – et où l’on peut rejoindre Pékin, par exemple, depuis Kiev (en Ukraine) en une heure seulement grâce à trains hypersoniques en lévitation magnétique circulant dans des tubes à vide. Imaginez enfin un monde où les tokamaks aiment Iter serait également rendu plus efficace grâce à aimants révolutionnaires.

Un tel monde, où une nouvelle révolution dans le domaine de l’électronique aurait également pu prendre forme avec des dispositifs moins énergivores et plus efficaces, serait possible si nous découvrions des matériaux supraconducteurs à température et pression de plus, facile et peu coûteux à fabriquer tout en étant mécaniquement et chimiquement robuste.

« Nous vivons dans une société de semi-conducteurs, et avec ce type de technologie, vous pouvez amener la société dans une société supraconductrice où vous n’aurez plus jamais besoin de choses comme des piles. », Déclare à ce sujet Ashkan Salamat de l’Université du Nevada à Las Vegas, co-écrit avec Ranga Dias, Université de Rochester, et d’autres, d’un article prometteur retentissant qui vient d’être publié par le journal La nature.

Cette vidéo explique simplement, en images en mouvement à l’aide de la «Petite Voix», ce qu’est le phénomène de supraconductivité et les propriétés des matériaux supraconducteurs: absence de résistance électrique, phénomène de lévitation … Une vidéo coproduite avec L ‘ Spirit Sorcerer. © CEA Recherche

Supraconductivité à température ambiante, la piste du sulfure d’hydrogène

le physiciens en effet y annoncer avoir obtenu une phase supraconductrice dans un simple composé à base de Sulfure d’hydrogène H2S qui a été mélangé avec du méthane CH4. Le record de température est battu depuis la température critique en dessous de laquelle on obtient cette phase, où l’électricité peut circuler sans résistance grâce aux effets quantiques, n’est que de 15 ° C!

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Mais tout n’est pas rose pour autant car les pressions nécessaires pour obtenir le supraconductivité sont de l’ordre de 2,6 millionsatmosphères. Pour le moment, ce n’est donc qu’une curiosité de laboratoire. On peut néanmoins penser que c’est un encouragement de plus à aller sur la piste des supraconducteurs. exotique cela permettrait les révolutions technologiques évoquées précédemment.

Pour obtenir une traduction française assez précise, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur “Sous-titres” et enfin sur “Traduire automatiquement”. Choisissez “Français”. © Université de Rochester

Cet exploit n’est pas complètement une surprise et il donne en effet un espoir supplémentaire. Pour comprendre cela, rappelons-nous d’abord que le supraconductivité a été découvert il y a plus de 100 ans, le 8 avril 1911. Il a fasciné de nombreux physiciens, tels que Vitaly Ginzburg et Pierre-Gilles de Gennes, et a donné lieu à l’attribution de plusieurs prix Nobel comme celui de Lev Landau.

Il s’avère qu’en 1935 un autre lauréat du prix Nobel physique d’origine hongroise, Eugène Wigner, avait sa célèbre prédiction de l’existence à haute pression d’une phase métallique dehydrogène, avec son collègue le physicien américain Hillard Bell Huntington. Dès la fin des années 1960, un célèbre physicien de solide, le britannique Neil William Ashcroft, arrive à la conclusion que non seulement l’hydrogène métallique peut être un supraconducteur, mais qu’il pourrait le rester dans des conditions de températures et de pressions ambiantes car étant métastable.

Rappelez-vous que le diamant est un exemple bien connu du phénomène de métastabilité car il est obtenu à partir du graphite initialement portés à des pressions et des températures élevées, comme celles qui prévalent à plus de 150 kilomètres à l’intérieur du Terre. Cependant, il reste comme un diamant à la surface de la Terre même des milliards d’années après sa formation, à moins qu’il ne soit chauffé à nouveau à des températures élevées.

À la recherche d’un supraconducteur métastable à température ambiante

Une quête de ce Saint Graal de l’hydrogène métallique supraconducteur à température ambiante est engagée depuis un certain temps et, au début de 2020, une étape importante sur cette voie avait été franchie car Futura l’a expliqué dans un article précédent à l’annonce du succès d’une équipe française de Paul Loubeyre et Florent Occelli, deux chercheurs du CEA (Commissariat à l’Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives) et Paul Dumas, chercheur émérite de l’Institut de Chimie CNRS, détaché auprès du Synchrotron Soleil.

Leurs résultats, également publiés dans la revue scientifique La nature, concernait en fait l’obtention d’une phase métallique d’hydrogène pour la première fois et d’une manière qui paraît incontestable aux trois chercheurs. Dans son entretien, Florent Occelli nous expliquait à l’époque que, d’une part, lui et ses collègues avaient obtenu de l’hydrogène moléculaire et pas encore vraiment de l’hydrogène métallique mais qu’en plus, ils ne devaient pas encore montrer qu’il était supraconducteur.

Lorsque nous lui avons demandé de confirmer qu’il existait bien des composés à base d’hydrogène qui sont des supraconducteurs à haute pression, le physicien a répondu: ” Oui, comme le sulfure d’hydrogène (H2S) et en particulier l’hydrure de lanthane (LaHdix) mais ces composés ne sont pas métastables et ne restent donc pas supraconducteurs à pression ambiante. Nous avons des raisons de croire qu’au moins un composé est nécessaire binaire avec de l’hydrogène, c. à d. des hydrures métalliques avec au moins deux types d’éléments métalliques associés à les atomes d’hydrogène. Il s’agit d’une voie de recherche actuellement explorée, d’autant plus que les hydrures déjà obtenus sont supraconducteurs à des pressions inférieures à celles de l’hydrogène métallique et qui sont aujourd’hui assez faciles à produire. ».

Les physiciens américains ont procédé comme dans le cas de leurs confrères français pour faire leur découverte, précisément avec un composé hydrogène binaire qu’ils ont comprimé à l’aide d’une presse à enclume diamantée.

La supraconductivité du sulfure d’hydrogène à 190 K pourrait être expliquée

Article de Laurent Sacco publié le 25/04/2015

À haute pression, l’hydrogène devient métallique. L’ajout d’atomes de soufre peut alors le transformer en Matériel supraconducteur, une propriété que le sulfure d’hydrogène semblait conserver jusqu’à une température de 190 Kelvins. Ce qui suggérait qu’il contenait peut-être la clé de l’énigme de cuprates. Mais ce n’est pas le cas…

Il y a près de 30 ans, lorsque les premiers supraconducteurs à température critique élevée ont été découverts, on espérait qu’il y aurait des progrès rapides tant théoriquement que pratiquement dans le sens de la création de matériaux supraconducteurs à température ambiante. Malheureusement, le supraconducteurs exotiques quels sont les cuprates gardent toujours jalousement leurs secrets. Cependant, on sait que, contrairement aux supraconducteurs conventionnels, les paires de Cooper qui y sont formées ne proviennent pas d’un mécanisme bien compris dans le cadre de la Théorie BCS.

Différentes stratégies sont à l’étude pour résoudre l’énigme des cuprates et dans l’intervalle, d’autres types de supraconducteurs exotiques ont été découverts, comme ceux de fermions lourds. Le record de température élevé attesté pour les cuprates est de 164 Kelvin (K). Cependant, une pression élevée doit être exercée pour obtenir ce résultat car, à pression ambiante, elle n’est que de 133 K. Récemment, un groupe de chercheurs a obtenu un résultat intriguant en comprimant à 150 GPa du simple Sulfure d’hydrogène (H2S).

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Le sulfure d’hydrogène imposerait des oscillateurs quantiques anharmoniques

Les théoriciens ont bien sûr immédiatement examiné la question. Il s’agit d’un système physique simple et de telles températures critiques élevées ne sont généralement rencontrées qu’avec des supraconducteurs qui ne sont pas décrits par la théorie BCS. Cela pourrait donc être un fenêtre sur les mécanismes de la supraconductivité exotique. Mais une équipe internationale de chercheurs anglais, canadiens, chinois, espagnols et français vient de publier sur arXiv un article qui suggère que ce n’est pas le cas.

Pour arriver à cette conclusion, les physiciens ont, comme il se doit, utilisé les lois de la physique quantique. Ils ont commencé par établir que le sulfure d’hydrogène perdait sa stabilité sous haute pression et que le H2S est devenu soit un matériau HS2 soit un solide cristallin à base de H3S formant un réseau cubique (les deux composés prennent en fait une forme métallique aux hautes pressions étudiées). Ils ont ensuite montré que cette dernière forme était bien capable de présenter une phase supraconductrice à une température critique élevée supérieure à 200 GPa.

Comme dans le cadre de la théorie BCS, les paires de Cooper se forment sous l’effet des interactions de électrons avec le phonons de réseau cristallin, c’est-à-dire les analogues de photons pour le les ondes sonores dans des réseaux de solides cristallisés. Mais, dans le cas présent, le modèle simple d’un oscillateur harmonique pour décrire les petits les vibrations les atomes d’hydrogène autour de leur position d’équilibre ne suffisent plus. Il faut prendre en compte un modèle d’oscillateur plus complexe avec des vibrations dites anharmoniques.

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Rolande Desroches

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