La chaleur résiduelle est partout autour de vous. A petite échelle, si votre téléphone ou votre ordinateur portable est chaud, c'est parce qu'une partie de l'énergie alimentant l'appareil est transformée en chaleur indésirable.

A plus grande échelle, réseaux électriques, comme les lignes à haute tension, perdent plus de 5% de leur énergie dans le processus de transmission. Dans une industrie de l'énergie électrique qui a généré plus de 400 milliards de dollars US en 2018, c'est une énorme quantité d'argent gaspillé.

Globalement, les systèmes informatiques de Google, Microsoft, Facebook et d'autres ont besoin d'énormes quantités d'énergie pour alimenter des serveurs cloud et des centres de données massifs. Encore plus d'énergie, pour alimenter les systèmes de refroidissement à eau et à air, est nécessaire pour compenser la chaleur générée par ces ordinateurs.

D'où vient cette chaleur perdue ? Électrons. Ces particules élémentaires d'un atome se déplacent et interagissent avec d'autres électrons et atomes. Parce qu'ils ont une charge électrique, lorsqu'ils se déplacent à travers un matériau, comme les métaux, qui peuvent facilement conduire l'électricité - ils dispersent d'autres atomes et génèrent de la chaleur.

Les supraconducteurs sont des matériaux qui résolvent ce problème en permettant à l'énergie de les traverser efficacement sans générer de chaleur indésirable. Ils ont un grand potentiel et de nombreuses applications rentables. Ils exploitent des trains à lévitation magnétique, génèrent des champs magnétiques pour les machines IRM et ont récemment été utilisés pour construire des ordinateurs quantiques, bien qu'il n'en existe pas encore un pleinement opérationnel.

Mais les supraconducteurs ont un problème essentiel lorsqu'il s'agit d'autres applications pratiques :ils fonctionnent à des températures ultra-basses. Il n'y a pas de supraconducteurs à température ambiante. Cette partie "température ambiante" est ce sur quoi les scientifiques travaillent depuis plus d'un siècle. Des milliards de dollars ont financé la recherche pour résoudre ce problème. Scientifiques du monde entier, y compris moi, tentent de comprendre la physique des supraconducteurs et comment ils peuvent être améliorés.

Comprendre le mécanisme

Un supraconducteur est un matériau, comme un métal pur comme l'aluminium ou le plomb, qui, lorsqu'il est refroidi à des températures ultra-basses, permet à l'électricité de le traverser avec une résistance absolument nulle. Comment un matériau devient supraconducteur au niveau microscopique n'est pas une question simple. Il a fallu 45 ans à la communauté scientifique pour comprendre et formuler une théorie réussie de la supraconductivité en 1956.

Alors que les physiciens cherchaient à comprendre les mécanismes de la supraconductivité, les chimistes ont mélangé différents éléments, comme le niobium et l'étain, un métal rare, et essayé des recettes guidées par d'autres expériences pour découvrir de nouveaux supraconducteurs plus puissants. Il y a eu des progrès, mais surtout incrémental.

Tout simplement, la supraconductivité se produit lorsque deux électrons se lient à basse température. Ils forment la pierre angulaire des supraconducteurs, la paire Cooper. La physique et la chimie élémentaires nous disent que les électrons se repoussent. Cela est vrai même pour un supraconducteur potentiel comme le plomb lorsqu'il est au-dessus d'une certaine température.

Lorsque la température descend à un certain point, bien que, les électrons deviennent plus aptes à s'apparier. Au lieu d'un électron s'opposant à l'autre, une sorte de "colle" émerge pour les maintenir ensemble.

Garder la matière au frais

Découvert en 1911, le premier supraconducteur était le mercure (Hg), l'élément de base des thermomètres à l'ancienne. Pour que le mercure devienne supraconducteur, il a dû être refroidi à des températures ultra-basses. Kamerlingh Onnes a été le premier scientifique à comprendre exactement comment faire cela en comprimant et en liquéfiant l'hélium gazeux. Pendant le processus, une fois l'hélium gazeux devenu liquide, la température descend à -452 degrés Fahrenheit.

Quand Onnes expérimentait le mercure, il a découvert que lorsqu'il était placé à l'intérieur d'un conteneur d'hélium liquide et refroidi à très basse température, sa résistance électrique, l'opposition du courant électrique dans le matériau, soudainement tombé à zéro ohm, une unité de mesure qui décrit la résistance. Pas proche de zéro, mais zéro exactement. Pas de résistance, pas de perte de chaleur.

Cela signifiait qu'un courant électrique, une fois généré, coulerait continuellement sans rien pour l'arrêter, au moins en laboratoire. De nombreux matériaux supraconducteurs ont été rapidement découverts, mais les applications pratiques étaient une autre affaire.

Ces supraconducteurs partageaient un problème :ils devaient être refroidis. La quantité d'énergie nécessaire pour refroidir un matériau jusqu'à son état supraconducteur était trop chère pour les applications quotidiennes. Au début des années 1980, la recherche sur les supraconducteurs était presque arrivée à son terme.

Une découverte surprenante

Dans une tournure dramatique des événements, un nouveau type de matériau supraconducteur a été découvert en 1987 chez IBM à Zurich, La Suisse. En quelques mois, des supraconducteurs fonctionnant à des températures moins extrêmes étaient synthétisés à l'échelle mondiale. Le matériau était une sorte de céramique.

Ces nouveaux supraconducteurs céramiques étaient constitués de cuivre et d'oxygène mélangés à d'autres éléments tels que le lanthane, baryum et bismuth. Ils contredisaient tout ce que les physiciens pensaient savoir sur la fabrication des supraconducteurs. Les chercheurs cherchaient de très bons chefs d'orchestre, pourtant ces céramiques étaient presque des isolants, ce qui signifie que très peu de courant électrique peut circuler. Le magnétisme a détruit les supraconducteurs conventionnels, pourtant ceux-ci étaient eux-mêmes des aimants.

Les scientifiques recherchaient des matériaux où les électrons étaient libres de se déplacer, pourtant dans ces matériaux, les électrons étaient enfermés et confinés. Les scientifiques d'IBM, Alex Müller et Georg Bednorz, avait en fait découvert un nouveau type de supraconducteur. Ce sont les supraconducteurs à haute température. Et ils ont joué selon leurs propres règles.

Des solutions insaisissables

Les scientifiques ont maintenant un nouveau défi. Trois décennies après la découverte des supraconducteurs à haute température, nous avons encore du mal à comprendre comment ils fonctionnent au niveau microscopique. Des expériences créatives sont menées chaque jour dans les universités et les laboratoires de recherche du monde entier.

Dans mon laboratoire, nous avons construit un microscope connu sous le nom de microscope à effet tunnel qui aide notre équipe de recherche à « voir » les électrons à la surface du matériau. Cela nous permet de comprendre comment les électrons se lient et forment la supraconductivité à l'échelle atomique.

Nous avons parcouru un long chemin dans nos recherches et savons maintenant que les électrons s'apparient également dans ces supraconducteurs à haute température. Il est très utile et utile de répondre au fonctionnement des supraconducteurs à haute température, car cela peut être la voie vers la supraconductivité à température ambiante. Si nous réussissons à fabriquer un supraconducteur à température ambiante, nous pourrons alors nous occuper des milliards de dollars qu'il en coûte en chaleur gaspillée pour transmettre l'énergie des centrales électriques aux villes.

Plus remarquablement, l'énergie solaire récoltée dans les vastes déserts vides du monde entier pourrait être stockée et transmise sans aucune perte d'énergie, qui pourraient alimenter les villes et réduire considérablement les émissions de gaz à effet de serre. Le potentiel est difficile à imaginer. Trouver la colle pour les supraconducteurs à température ambiante est la prochaine question à un million de dollars.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.