L'objectif d'une nouvelle recherche menée par Ranga Dias, professeur assistant de génie mécanique et de physique et astronomie, est de développer des matériaux supraconducteurs à température ambiante. Actuellement, un froid extrême est nécessaire pour atteindre la supraconductivité, comme le montre cette photo du laboratoire de Dias, dans lequel un aimant flotte au-dessus d'un supraconducteur refroidi à l'azote liquide. Crédit :Université de Rochester / J. Adam Fenster
Compression de solides moléculaires simples avec de l'hydrogène à des pressions extrêmement élevées, Les ingénieurs et physiciens de l'Université de Rochester ont, pour la première fois, créé un matériau supraconducteur à température ambiante.
Présenté comme article de couverture dans le journal La nature , le travail a été mené par le laboratoire de Ranga Dias, professeur adjoint de physique et de génie mécanique.
Dias dit que le développement de matériaux supraconducteurs - sans résistance électrique ni expulsion de champ magnétique à température ambiante - est le « Saint Graal » de la physique de la matière condensée. Recherché depuis plus d'un siècle, de tels matériaux "peuvent définitivement changer le monde tel que nous le connaissons, " dit Dias.
En établissant le nouveau record, Dias et son équipe de recherche ont combiné de l'hydrogène avec du carbone et du soufre pour synthétiser photochimiquement de l'hydrure de soufre carboné d'origine organique simple dans une cellule à enclume de diamant, un appareil de recherche utilisé pour examiner des quantités infimes de matériaux sous une pression extraordinairement élevée.
L'hydrure de soufre carboné présentait une supraconductivité à environ 58 degrés Fahrenheit et une pression d'environ 39 millions de psi. C'est la première fois qu'un matériau supraconducteur est observé à température ambiante.
"En raison des limites de basse température, des matériaux aux propriétés aussi extraordinaires n'ont pas tout à fait transformé le monde comme beaucoup auraient pu l'imaginer. Cependant, notre découverte fera tomber ces barrières et ouvrira la porte à de nombreuses applications potentielles, " dit Dias, qui est également affilié aux programmes de science des matériaux et de physique des hautes densités énergétiques de l'Université.
Les applications comprennent :
"Nous vivons dans une société de semi-conducteurs, et avec ce genre de technologie, vous pouvez amener la société dans une société supraconductrice où vous n'aurez plus jamais besoin de choses comme des piles, " dit Ashkan Salamat de l'Université du Nevada à Las Vegas, co-auteur de la découverte.
La quantité de matériau supraconducteur créée par les cellules d'enclume en diamant est mesurée en picolitres, soit environ la taille d'une seule particule à jet d'encre.
Le prochain défi, Dias dit, trouve des moyens de créer des matériaux supraconducteurs à température ambiante à des pressions plus basses, ils seront donc économiques à produire en plus grand volume. Par rapport aux millions de livres de pression créées dans les cellules à enclume de diamant, la pression atmosphérique de la Terre au niveau de la mer est d'environ 15 PSI.
Pourquoi la température ambiante est importante
Découvert pour la première fois en 1911, la supraconductivité confère aux matériaux deux propriétés clés. La résistance électrique disparaît. Et tout semblant de champ magnétique est expulsé, en raison d'un phénomène appelé effet Meissner. Les lignes de champ magnétique doivent passer autour du matériau supraconducteur, permettant de faire léviter de tels matériaux, quelque chose qui pourrait être utilisé pour les trains à grande vitesse sans friction, connu sous le nom de trains maglev.
Les puissants électro-aimants supraconducteurs sont déjà des composants critiques des trains maglav, machines d'imagerie par résonance magnétique (IRM) et de résonance magnétique nucléaire (RMN), accélérateurs de particules et autres technologies de pointe, y compris les premiers supercalculateurs quantiques.
Mais les matériaux supraconducteurs utilisés dans les appareils ne fonctionnent généralement qu'à des températures extrêmement basses, inférieures à toutes les températures naturelles sur Terre. Cette restriction les rend coûteux à maintenir et trop coûteux à étendre à d'autres applications potentielles. « Le coût de maintien de ces matériaux à des températures cryogéniques est si élevé que vous ne pouvez pas vraiment en tirer pleinement parti, " dit Dias.
Précédemment, la température la plus élevée pour un matériau supraconducteur a été atteinte l'année dernière dans le laboratoire de Mikhail Eremets à l'Institut Max Planck de chimie à Mayence, Allemagne, et le groupe Russell Hemley à l'Université de l'Illinois à Chicago. Cette équipe a signalé une supraconductivité à -10 à 8 degrés Fahrenheit en utilisant du superhydrure de lanthane.
Les chercheurs ont également exploré les oxydes de cuivre et les produits chimiques à base de fer comme candidats potentiels pour les supraconducteurs à haute température ces dernières années. Cependant, l'hydrogène, l'élément le plus abondant dans l'univers, offre également un élément de construction prometteur.
"Pour avoir un supraconducteur à haute température, vous voulez des liens plus forts et des éléments légers. Ce sont les deux critères de base, " dit Dias. " L'hydrogène est le matériau le plus léger, et la liaison hydrogène est l'une des plus fortes.
"L'hydrogène métallique solide est théorisé pour avoir une température de Debye élevée et un fort couplage électron-phonon qui est nécessaire pour la supraconductivité à température ambiante, " dit Dias.
Cependant, des pressions extraordinairement élevées sont nécessaires juste pour obtenir de l'hydrogène pur à l'état métallique, qui a été réalisé pour la première fois dans un laboratoire en 2017 par le professeur de l'Université Harvard Isaac Silvera et Dias, puis un post-doctorat dans le laboratoire de Silvera.
Un "changement de paradigme"
Et donc, Le laboratoire de Dias à Rochester a poursuivi un "changement de paradigme" dans son approche, utiliser comme alternative, des matériaux riches en hydrogène qui imitent la phase supraconductrice insaisissable de l'hydrogène pur, et peut être métallisé à des pressions beaucoup plus basses.
Le laboratoire a d'abord combiné l'yttrium et l'hydrogène. Le superhydrure d'yttrium résultant présentait une supraconductivité à ce qui était alors une température record d'environ 12 degrés Fahrenheit et une pression d'environ 26 millions de livres par pouce carré.
Ensuite, le laboratoire a exploré les matériaux covalents d'origine organique riches en hydrogène.
Ce travail a abouti à l'hydrure de soufre carboné. "Cette présence de carbone est ici d'une importance capitale, ", rapportent les chercheurs. Un "réglage de la composition" supplémentaire de cette combinaison d'éléments peut être la clé pour atteindre la supraconductivité à des températures encore plus élevées, ajoutent-ils.
