En 1911, Le physicien Heike Kamerlingh Onnes visait à abaisser la température du mercure au plus près du zéro absolu que possible. Il espérait gagner un désaccord avec Lord Kelvin, qui pensait que les métaux cesseraient complètement de conduire l'électricité à des températures extrêmement basses. Manipulant soigneusement un ensemble de tubes de verre, Kamerlingh Onnes et son équipe ont abaissé la température du mercure à 3 K (-454 F). Soudainement, le mercure a conduit l'électricité avec une résistance nulle. Kamerlingh Onnes venait de découvrir la supraconductivité.

Cette seule découverte a conduit à une enquête mondiale qui a duré un siècle. Alors qu'il a résolu un débat scientifique, il en a créé bien d'autres. Le Bureau des sciences du ministère de l'Énergie et ses prédécesseurs ont passé des décennies à aider les scientifiques à enquêter sur le mystère de l'apparition de la supraconductivité dans diverses circonstances.

La réponse à cette question offre des opportunités majeures de développement scientifique et technologique. Environ six pour cent de toute l'électricité distribuée aux États-Unis est perdue dans le transport et la distribution. Parce que les supraconducteurs ne perdent pas de courant lorsqu'ils conduisent l'électricité, ils pourraient permettre des réseaux électriques ultra-efficaces et des puces informatiques incroyablement rapides. Les enrouler en bobines produit des champs magnétiques qui pourraient être utilisés pour des générateurs à haut rendement et des trains à lévitation magnétique à grande vitesse. Malheureusement, les défis techniques avec les supraconducteurs traditionnels et "à haute température" restreignent leur utilisation.

"Dans la mesure où Tesla et Edison introduisant l'utilisation de l'électricité ont révolutionné notre société, la supraconductivité ambiante la révolutionnerait une fois de plus, " a déclaré J.C. Séamus Davis, un physicien qui travaille avec le Centre pour la supraconductivité émergente, un centre de recherche DOE Energy Frontier.

Le comment et le pourquoi de la supraconductivité

La découverte de Kamerlingh Onnes a déclenché un tourbillon d'activités. Malgré ses grandes visions, la plupart de ce que les scientifiques ont trouvé n'a fait que renforcer les limites des supraconducteurs.

L'une des premières grandes percées a eu lieu près d'un demi-siècle après la découverte initiale de Kamerlingh Onnes. Alors que la plupart des chercheurs pensaient que la supraconductivité et le magnétisme ne pouvaient pas coexister, Alexei A. Abrikosov a proposé des supraconducteurs de "type II" pouvant tolérer des champs magnétiques en 1952. Abrikosov a poursuivi ses recherches au laboratoire national d'Argonne (ANL) du DOE et a ensuite remporté le prix Nobel de physique pour ses contributions.

Le prochain grand saut est venu en 1957, quand John Bardeen, Léon Cooper, et John Robert Schrieffer a proposé la première théorie expliquant pourquoi la supraconductivité se produit. Leur théorie, rendu possible grâce au soutien du prédécesseur du DOE, le Commissariat à l'énergie atomique, leur a également valu le prix Nobel de physique.

Leur théorie oppose le fonctionnement de certains métaux dans des conditions normales à leur comportement à des températures extrêmement basses. Normalement, les atomes sont emballés ensemble dans des métaux, formant des réseaux réguliers. Semblable aux rayons et tiges de Tinkertoys, les ions chargés positivement des métaux sont liés ensemble. En revanche, les électrons libres chargés négativement (électrons non liés à un ion) se déplacent indépendamment à travers le réseau.

Mais à des températures extrêmement basses, la relation entre les électrons et le réseau environnant change. Une opinion commune est que les charges négatives des électrons attirent faiblement les ions positifs. Comme quelqu'un tirant au milieu d'un élastique, cette faible attraction tire légèrement les ions positifs hors de leur place dans le réseau. Même si l'électron d'origine est déjà passé, les ions positifs maintenant déplacés attirent alors légèrement d'autres électrons. Près du zéro absolu, l'attraction des ions positifs amène les électrons à suivre le chemin de ceux qui les précèdent. Au lieu de voyager indépendamment, ils s'accouplent par paires. Ces paires s'écoulent facilement à travers le métal sans résistance, provoquant la supraconductivité.

À la découverte de tout nouveaux supraconducteurs

Malheureusement, tous les supraconducteurs que les scientifiques avaient trouvés ne fonctionnaient qu'à proximité du zéro absolu, la température la plus froide théoriquement possible.

Mais en 1986, Georg Bednorz et K. Alex Müller d'IBM ont découvert des matériaux à base de cuivre qui deviennent supraconducteurs à 35 K (-396 F). D'autres scientifiques ont augmenté la température supraconductrice de ces matériaux à près de 150 K (-190 F), permettant aux chercheurs d'utiliser de l'azote liquide assez courant pour les refroidir.

Au cours de la dernière décennie, des chercheurs au Japon et en Allemagne ont découvert deux autres catégories de supraconducteurs à haute température. Les supraconducteurs à base de fer existent dans des conditions similaires à ceux à base de cuivre, tandis que ceux à base d'hydrogène n'existent qu'à des pressions plus d'un million de fois celles de l'atmosphère terrestre.

Mais les interactions entre les paires d'électrons et les ions dans le réseau métallique que Bardeen, Tonnelier, et Schrieffer décrit ne pouvait pas expliquer ce qui se passait dans les supraconducteurs à haute température à base de cuivre et de fer.

"Nous avons été jetés dans un dilemme, " a déclaré Peter Johnson, physicien au Brookhaven National Laboratory (BNL) et directeur de son Center for Emergent Superconductivity. "Ces nouveaux matériaux ont remis en cause toutes nos idées existantes sur l'endroit où chercher de nouveaux supraconducteurs."

En plus d'être scientifiquement intrigant, cette énigme a ouvert un nouveau domaine d'applications potentielles. Malheureusement, l'industrie ne peut utiliser des supraconducteurs « haute température » que pour des applications hautement spécialisées. Ils sont encore trop complexes et coûteux à utiliser dans les situations de tous les jours. Cependant, comprendre ce qui les différencie des supraconducteurs traditionnels peut être essentiel pour développer des supraconducteurs qui fonctionnent à température ambiante. Parce qu'ils ne nécessiteraient pas d'équipement de refroidissement et pourraient être plus faciles à utiliser, les supraconducteurs à température ambiante pourraient être moins chers et plus pratiques que ceux disponibles aujourd'hui.

Une caractéristique partagée

Plusieurs séries d'expériences soutenues par l'Office of Science nous rapprochent de savoir quoi, si quoi que ce soit, les supraconducteurs à haute température ont en commun. Les preuves suggèrent que les interactions magnétiques entre les électrons peuvent être essentielles pour expliquer pourquoi la supraconductivité à haute température se produit.

Tous les électrons ont un spin, créant deux pôles magnétiques. Par conséquent, les électrons peuvent agir comme de minuscules aimants de réfrigérateur. Sous des conditions normales, ces pôles ne sont pas orientés de manière particulière et n'interagissent pas. Cependant, les supraconducteurs à base de cuivre et de fer sont différents. Dans ces matériaux, les spins sur les sites ferreux adjacents ont des pôles nord et sud qui alternent des directions - orienté nord, Sud, Nord, sud et ainsi de suite.

Un projet soutenu par le Center for Emergent Superconductivity a examiné comment l'ordre de ces pôles magnétiques affectait leurs interactions. Les scientifiques ont théorisé que parce que les pôles magnétiques pointaient déjà dans des directions opposées, il serait plus facile que d'habitude pour les électrons de s'apparier. Pour tester cette théorie, ils ont corrélé à la fois la force des liaisons entre les électrons (la force des paires d'électrons) et la direction de leur magnétisme. Avec cette technique, ils ont fourni des preuves expérimentales significatives de la relation entre la supraconductivité et les interactions magnétiques.

D'autres expériences dans un certain nombre de laboratoires nationaux du DOE ont encore renforcé cette théorie. Ces observations ont répondu aux attentes des scientifiques quant à ce qui devrait se produire si la supraconductivité et le magnétisme sont connectés.

Des chercheurs de l'ANL ont observé qu'un supraconducteur à base de fer traverse plusieurs phases avant d'atteindre un état supraconducteur. Alors que les scientifiques refroidissaient le matériau, les atomes de fer sont passés d'une structure carrée à une structure rectangulaire, puis de nouveau à une structure carrée. Le long du chemin, il y a eu un changement majeur dans les pôles magnétiques des électrons. Alors qu'ils étaient à l'origine aléatoires, ils ont pris un ordre spécifique juste avant d'atteindre la supraconductivité.

Au laboratoire Ames du DOE, les chercheurs ont découvert que l'ajout ou la suppression d'électrons d'un matériau supraconducteur à base de fer modifiait la direction dans laquelle l'électricité circulait plus facilement. Les chercheurs du BNL ont observé que la supraconductivité et le magnétisme non seulement coexistent, mais fluctuent en fait ensemble selon un schéma régulier.

Malheureusement, La nature complexe des interactions électroniques rend difficile l'identification exacte du rôle qu'elles jouent dans la supraconductivité.

Des recherches menées à BNL ont révélé que lorsque les scientifiques refroidissaient un matériau à base de fer, les directions des spins électroniques et leur relation les uns avec les autres ont changé rapidement. Les électrons ont échangé leurs partenaires juste avant que le matériau ne devienne supraconducteur. De la même manière, des recherches à l'ANL ont montré que les électrons dans les supraconducteurs à base de fer produisent des "ondes" de magnétisme. Parce que certaines des ondes magnétiques s'annulent, seulement la moitié des atomes démontrent du magnétisme à un moment donné.

Ces découvertes fournissent de nouvelles informations sur les raisons pour lesquelles les supraconducteurs se comportent comme ils le font. La recherche a répondu à de nombreuses questions à leur sujet, seulement pour en amener de nouveaux. Alors que les laboratoires ont parcouru un long chemin depuis l'équipement soufflé à la main de Kamerlingh Onnes, les scientifiques continuent de débattre de nombreux aspects de ces matériaux uniques.