La fin du zéro absolu : la supraconductivité fonctionne à des températures beaucoup plus élevées

Et si la supraconductivité pouvait enfin se produire à température ambiante ? Véritable rêve pour de nombreux physiciens, cet idéal est actuellement contraint puisque la conductivité sans perte de puissance n’est atteinte qu’à très basse température. Il faut aujourd’hui se rapprocher du zéro absolu et descendre en dessous de -240 °C pour observer le phénomène.

Des scientifiques de l’université de Stanford, en Californie, ont toutefois réussi à recréer un processus clé de la supraconductivité à des températures beaucoup plus élevées, rapporte Space.com. Leur découverte, publiée dans la revue Science, a montré que deux électrons peuvent s’associer à -123°C.

Un indice pour mieux comprendre la synchronisation des paires d’électrons

L’appariement des électrons est une condition indispensable à la formation de la supraconductivité. Or, jusqu’à présent, des flux d’électricité sans perte n’ont été observés qu’à des températures inférieures d’une centaine de degrés. Or, si cette condition initiale est remplie, le chemin vers la supraconductivité à -123 °C pourrait encore être long.

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« Les pères des électrons nous disent qu’ils sont prêts à être supraconducteurs, mais que quelque chose les en empêche »détaille dans un communiqué Ke-Jun Xu, co-auteur de l’étude et étudiant en physique appliquée à Stanford. « Si nous pouvons trouver une nouvelle méthode pour synchroniser les paires, nous pourrions l’appliquer à la construction de supraconducteurs à plus haute température. »

La supraconductivité fonctionne en laissant des ondulations dans le sillage des électrons en mouvement dans un matériau dit supraconducteur. Lorsque la température est suffisamment basse, ces ondulations attirent les électrons les uns vers les autres. Mais ce mécanisme va à l’encontre du principe physique selon lequel deux charges négatives se repoussent.

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Un phénomène qui implique la mécanique quantique

Or, le phénomène de supraconductivité induit une étrange réaction : la formation d’une « paire de Cooper ». Lorsque deux électrons sont liés de cette manière, ils ne suivent plus les règles de la physique classique, mais adoptent un comportement régi par la mécanique quantique.

Les paires de Cooper peuvent être considérées comme des particules de lumière, puisqu’un nombre infini d’entre elles peuvent occuper le même point de l’espace en même temps. Et dès qu’un matériau possède suffisamment de paires de Cooper, il devient superfluide. Cela signifie que les électrons peuvent le traverser sans perdre d’énergie en raison de la résistance électrique.

Dans leur étude, les scientifiques de Stanford ont utilisé un cuprate, un matériau dérivé du cuivre. Exposée aux rayons ultraviolets, la matière n’a pas réagi comme prévu. Au lieu de voir les électrons arrachés au matériau, les paires de Cooper ont résisté à l’exposition aux photons, ne générant qu’une très faible perte d’énergie du matériau. Le phénomène de résistance électronique s’est répété jusqu’à -123 °C.

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Même s’il est très peu probable que le cuprate puisse conserver cette propriété à température ambiante, cette découverte ouvre une voie de recherche particulièrement prometteuse. L’équipe de recherche du professeur Zhi-Xun Shen, auteur principal de l’étude, prévoit déjà d’autres études. Elle souhaite notamment mieux comprendre l’appariement des électrons.