La supraconductivité, c’est cette capacité qu’ont certains matériaux de conduire le courant électrique sans aucune résistance. À l’UQTR, Maxime Charlebois tente d’en percer certains mécanismes à jour.
Plus d’un siècle après sa découverte, la supraconductivité fascine plus que jamais. Il faut dire que cette propriété étonnante peut faire léviter des objets, générer des champs magnétiques colossaux et potentiellement produire des câbles électriques super efficaces…
Bien que l’on n’en comprenne pas encore tous les mécanismes, la supraconductivité offre déjà de nombreuses applications, notamment dans le domaine de l’imagerie médicale – l’IRM reposant sur l’utilisation d’un champ magnétique très intense.
« Tout a commencé avec des recherches sur la production de froid, au début du 20e siècle », rappelle Maxime Charlebois, chercheur au Département de physique de l’Université du Québec à Trois-Rivières (UQTR). Lorsqu’on comprime fortement un gaz et qu’on le laisse se « détendre » dans un grand volume, cela s’accompagne d’une absorption de chaleur. En bref, c’est le principe du réfrigérateur!
En 1908, le physicien néerlandais Heike Kammerlingh Onnes parvient à comprimer et liquéfier de l’hélium et à produire un froid extrême (-269 °C). Cela lui permet d’étudier les propriétés de divers matériaux à basse température. Et il constate en 1911 que le mercure très refroidi laisse l’électricité circuler sans aucune perte de chaleur : c’est la supraconductivité. « Ça a été vraiment exceptionnel, on ne s’attendait pas à ça », précise Maxime Charlebois.
Cette « conduction parfaite », sans aucune résistance, apparaît en fait dans de nombreux métaux et alliages en-dessous d’une certaine température, proche du zéro absolu (0 kelvin soit – 273,15 °C). « Mais il faudra attendre 1956 pour que trois physiciens, John Bardeen, Leon Cooper et John Schrieffer, parviennent à expliquer le phénomène avec la théorie nommée d’après leurs trois noms, la théorie BCS », indique-t-il.
Vague collective
Ce qu’il faut comprendre, c’est que, dans un supraconducteur, les électrons voyagent sans aucune résistance. Une fluidité qui s’explique par des phénomènes quantiques. Ainsi, à température normale, les électrons sont facilement perturbés et déviés par les atomes du métal. Ils cèdent alors une partie de leur énergie au métal, qui chauffe : c’est ce qu’on appelle la résistance électrique, qui conduit à des déperditions de chaleur dans tous les circuits et réseaux électriques que l’on connaît.
À très basse température, les électrons dans les supraconducteurs conventionnels ne se comportent plus comme des entités individuelles mais comme des paires d’électrons. Ces duos, appelés « paires de Cooper », se comportent un peu comme les photons de la lumière et peuvent se superposer sans entrer en collision. Cet appariement des électrons donne naissance à une sorte de vague collective, qui se propage sans subir de collision avec les vibrations thermiques des ions de la matière.
Outre l’absence de résistance, la supraconductivité empêche aussi les champs magnétiques extérieurs de pénétrer à l’intérieur du matériau. Ce phénomène est appelé effet Meissner, du nom du physicien qui l’a observé la première fois en 1933 et est souvent illustré par le phénomène spectaculaire de la lévitation magnétique.
Températures « hautes »
Depuis cette découverte initiale, on a cherché par tous les moyens à atteindre la supraconductivité à des températures moins basses. En 1986, on découvre les cuprates, des matériaux dont les facultés supraconductrices se produisent à des températures allant jusqu’à -135 °C. Soit presque « tiède », en d’autres termes… « On peut atteindre ces températures avec de l’azote liquide, ce qui est plus pratique qu’un refroidissement à l’hélium liquide », précise Maxime Charlebois, qui s’intéressent de près aux cuprates.
Un matériau supraconducteur (ici, un cuprate) expulse un aimant par effet Meissner. Image: Julien Bobroff, Frederic Bouquet, LPS, Orsay, France
Seulement voilà : on ne comprend pas bien ce qui se passe pour les électrons dans ces matériaux-là. La théorie BCS ne fonctionne pas. « On n’a pas de modèle prédictif pour les cuprates, qui permettrait de prédire à partir de quand ça devient supraconducteur et quel est le mécanisme », indique le physicien.
Son but : théoriser le déplacement des électrons dans les cuprates, grâce à des simulations numériques. « On peut voir les cuprates comme un sandwich à plusieurs étages avec des plans de cuivre et d’oxygène (pour la viande), et des couches de terres rares (comme le lanthane) et d’oxygène (pour le pain). J’essaie de comprendre comment les électrons circulent dans les plans de cuivre-oxygène, dans la viande. On est capable de reproduire qualitativement ce qui est observé expérimentalement. On a bon espoir qu’un modèle, appelé modèle de Hubbard, ait les ingrédients minimaux pour expliquer le phénomène. »
Le rêve ultime de la communauté ? Avoir des matériaux supraconducteurs à température ambiante… « On peut peut-être monter plus haut mais il nous faudrait une théorie pour s’en assurer et surtout pour guider la recherche expérimentale. Si on avait des supraconducteurs à température pièce et à pression ambiante, ce serait le début de la révolution quantique. On ne sait pas quand ça va arriver, ni même si c’est possible, mais le jeu en vaut la chandelle », conclut Maxime Charlebois.
Les applications de la supraconductivité
Le domaine le plus connu dans lequel la supraconductivité a joué un rôle essentiel, c’est celui de l’imagerie médicale par résonance magnétique (IRM). Cette technique repose sur la création d’un champ magnétique très fort et homogène, grâce à des bobines d’aimants supraconducteurs refroidis à l’hélium liquide.
Des aimants très puissants sont également utilisés dans les grands instruments de recherche comme l’accélérateur de particules du CERN, le LHC, pour focaliser et dévier les faisceaux de particules. Ils sont utilisés dans les aimants des trains à lévitation magnétique (Maglev) et plusieurs autres technologies de niche.
Image: Lévitation magnétique par effet Meissner. Wikipédia (Mai-Linh Doan)
