Résumé :
La supraconductivité à température ambiante a toujours été l'un des objectifs de recherche les plus importants en physique de la matière condensée. Si la supraconductivité pouvait être atteinte à des températures ambiantes ordinaires, elle pourrait entraîner des changements majeurs dans des domaines tels que la transmission d’énergie, le transport par sustentation magnétique, le stockage d’énergie et l’informatique quantique. Une équipe de recherche de l'Université d'Utrecht aux Pays-Bas, de l'Université de Leiden aux Pays-Bas et de l'Université de Munich en Allemagne a récemment réalisé des progrès importants :
Elles ont découvert que dans certains matériaux supraconducteurs à haute température, le phénomène d'appariement électronique nécessaire à la formation de la supraconductivité peut être maintenu jusqu'à température ambiante. Cela signifie que le facteur clé qui empêche les matériaux d’atteindre une supraconductivité à température ambiante n’est peut-être pas l’incapacité des électrons à former des paires, mais l’incapacité de ces paires d’électrons à se déplacer de manière coordonnée.
La supraconductivité est un état physique particulier. Lorsqu’un matériau devient supraconducteur, le courant peut le traverser sans résistance, de sorte que l’énergie n’est pas perdue à cause de la résistance comme les conducteurs ordinaires. En 1911, les scientifiques découvrent pour la première fois le phénomène de supraconductivité. Cependant, les matériaux supraconducteurs traditionnels doivent généralement être refroidis à des températures extrêmement basses pour fonctionner. De nombreux matériaux nécessitent même l’utilisation d’hélium liquide pour abaisser la température jusqu’à environ moins 260 degrés Celsius. Cette exigence de refroidissement coûteuse et complexe limite considérablement l’application à grande échelle de la technologie supraconductrice.
Au milieu des années 1980, les scientifiques ont découvert un certain nombre de matériaux supraconducteurs à des températures nettement plus élevées, dont certains avaient une température critique supraconductrice d'environ moins 173 degrés Celsius. Bien que cette température soit encore bien inférieure à la température ambiante, elle dépasse la limite de température des matériaux supraconducteurs traditionnels et soulève également de nouveaux problèmes théoriques : les théories qui expliquent la supraconductivité traditionnelle à basse température ne peuvent pas expliquer pleinement pourquoi ces matériaux supraconducteurs à haute température peuvent fonctionner.
Cette recherche se concentre sur deux conditions indispensables à la formation de la supraconductivité.
La première condition est l'appariement des électrons. Normalement, les électrons interagissent les uns avec les autres et, dans certains matériaux et environnements, deux électrons peuvent former un état associé appelé paire de Cooper. Cet appariement constitue une base importante pour la formation de la supraconductivité.
La deuxième condition est la cohérence des phases. Même si les électrons forment une paire, cela ne signifie pas que le matériau entrera nécessairement dans un état supraconducteur. Les paires d’électrons doivent également former un état quantique coordonné, comme les partenaires d’une équipe de danse. Non seulement chaque membre du duo doit travailler ensemble, mais tous les membres doivent également maintenir le même rythme. Ce n’est que lorsqu’un grand nombre de paires d’électrons peuvent se déplacer ensemble de manière coordonnée qu’un matériau peut présenter de véritables propriétés supraconductrices.
Dans les matériaux supraconducteurs traditionnels à basse température, l'appariement électronique et la cohérence de phase se produisent généralement ensemble lorsque la température est réduite à proximité du point critique. Mais les chercheurs ont découvert que les deux processus dans les matériaux supraconducteurs à haute température peuvent être séparés l'un de l'autre. Les électrons sont capables de former des paires bien à l’avance, bien au-dessus de la température critique du supraconducteur, et de rester dans cet état même à température ambiante.
L'équipe de recherche estime que cela montre que l'interaction qui maintient l'appariement des électrons est suffisamment forte pour que même si la température atteint la température ambiante, la paire d'électrons ne se désintègre pas immédiatement. Ce qui limite réellement la formation de supraconductivité pourrait être la deuxième condition, à savoir si ces paires d’électrons peuvent établir une cohérence de phase.
Ingmar Swart, l'un des responsables de la recherche et scientifique à l'Université d'Utrecht, a déclaré que cette découverte est d'une grande importance car l'équipe de recherche a prouvé que l'une des deux conditions clés requises pour former une supraconductivité à température ambiante peut être obtenue à température ambiante. Si l’appariement électronique ne peut tout simplement pas être maintenu à température ambiante, alors les efforts visant à trouver des matériaux supraconducteurs à température ambiante seront fondamentalement limités dès le départ. Maintenant que cet obstacle a été levé, les chercheurs peuvent étudier de manière plus approfondie comment se forme exactement la cohérence de phase et ce qui l’empêche d’apparaître à des températures plus élevées.
Les progrès de ces recherches sont étroitement liés aux nouveaux équipements de mesure développés par les chercheurs eux-mêmes. Les méthodes de mesure traditionnelles ont souvent du mal à distinguer clairement si le courant est transporté par un seul électron ou par des électrons ayant formé une paire. Le nouveau dispositif conçu par l'équipe de recherche peut faire la distinction entre ces deux courants, ce qui leur permet d'étudier directement la plage de températures dans laquelle l'appariement des électrons se produit dans le matériau et son lien avec l'état supraconducteur.
Le matériau utilisé dans la recherche est un supraconducteur à haute température en oxyde de cuivre, en particulier un matériau en oxyde de cuivre, bismuth, strontium, calcium. En mesurant les caractéristiques énergétiques de ses électrons, les chercheurs ont découvert une correspondance entre un phénomène précédemment connu sous le nom de pseudogap (Pseudogap) et l'énergie requise pour l'appariement des électrons. Cela fournit une nouvelle base expérimentale pour comprendre le mécanisme d’appariement des électrons dans la supraconductivité à haute température.
L'article de recherche pertinent s'intitule « Equivalence of pseudogap and pairing energy in a cuprate high-temperature supraconductor » et a été publié dans la revue Science le 5 novembre 2026. Les principaux auteurs de l'article sont Jiasen Niu et Maialen Ortego Larrazabal, et la recherche a été réalisée en collaboration avec des scientifiques de l'Université d'Utrecht, de l'Université de Leiden, de l'Université de Munich et d'autres institutions.
Cependant, cette découverte ne signifie pas que les scientifiques ont créé des matériaux supraconducteurs à température ambiante. Les chercheurs n’ont pas démontré qu’un matériau puisse atteindre une résistance nulle à température ambiante, ni démontré des circuits supraconducteurs pouvant fonctionner à température ambiante. La véritable avancée a eu lieu lorsqu'ils ont découvert que la condition nécessaire à l'appariement des électrons pouvait exister à température ambiante, réduisant encore davantage la portée du problème à résoudre dans la recherche de supraconducteurs à température ambiante.
Ensuite, l'équipe de recherche se concentrera sur l'étude de la cohérence des phases, en essayant de comprendre pourquoi des paires d'électrons peuvent se former à température ambiante mais ne peuvent pas coordonner leur mouvement à la même température. S’ils pouvaient trouver un moyen de contrôler ce processus, ils pourraient peut-être concevoir de nouveaux matériaux capables de supraconducteurs à des températures plus élevées.
Du point de vue de l'importance de la recherche, la valeur la plus importante de cette réalisation n'est pas d'apporter immédiatement un nouveau matériau supraconducteur, mais d'aider les scientifiques à comprendre plus précisément le mécanisme physique de la supraconductivité à haute température. Au cours des dernières décennies, la recherche sur la supraconductivité à température ambiante a été limitée par des explications théoriques incomplètes. Désormais, l’appariement électronique et la cohérence de phase peuvent être étudiés séparément, offrant ainsi une orientation plus claire pour la prochaine étape de la conception des matériaux et de l’exploration expérimentale.
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