Une nouvelle étape vers l'électricité libre
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Les supraconducteurs pourraient faciliter radicalement le transport de l’électricité, en éliminant le phénomène de résistance. Pourtant, ils restent inutilisables d’un point de vue commercial, car ils fonctionnent uniquement à des températures voisines du zéro absolu. À l’EPFL, une équipe de chercheurs ont développé une méthode qui pourrait contribuer à exploiter ce phénomène à des températures plus réalistes.
Les supraconducteurs sont des matériaux qui ont comme particularité de laisser passer le courant électrique sans perte d’énergie. Ce phénomène pourrait ouvrir la voie à une plus grande efficacité énergétique - imaginez un ordinateur qui ne surchauffe jamais! Hélas, la majorité des supraconducteurs accroissent la conductivité à des températures voisines du zéro absolu, soit 0 °K ou -273,15 °C. Mais certains d’entre peuvent néanmoins fonctionner à des températures plus élevées, autour de -135 °C. Reste à comprendre comment fonctionnent ces supraconducteurs, dits «à haute température». Fabrizio Carbone et son équipe du Laboratoire pour la microscopie et la diffusion d'électrons de l’EPFL décrivent dans la revue PNAS une méthode qui permet d’éclairer les recherches dans le domaine prometteur de la supraconductivité à haute température.
La supraconductivité, ou quand les électrons se mettent en couple
Lorsque l’électricité traverse un conducteur, par exemple un câble, il en résulte une perte d’énergie, due à la résistance. Ceci n’est pas toujours une mauvaise chose puisqu'elle peut alors être utilisée comme source de chaleur (un radiateur) ou pour éclairer (une ampoule). Mais lorsqu’il s’agit de réseaux énergétiques nationaux et de câbles à haute tension, la résistance électrique engendre des pertes pouvant atteindre près de 7%. Une perte d’argent, et une cause majeure d’usure des réseaux.
C’est là que pourraient intervenir les supraconducteurs. Ces matériaux, lorsqu’ils descendent suffisamment en température, conduisent l’électricité sans résistance – donc sans perte d'énergie. Comment? Lorsque la température de fonctionnement des supraconducteurs atteint un certain degré de refroidissement, leurs atomes se rejoignent et «poussent» les électrons pour former de nouvelles particules, les paires d’électrons de Cooper. Ceux-ci sont régis par les principes de la physique quantique et forment un état de la matière peu commun (un Condensat Bose-Einstein) qui n’est pas affecté par la résistance électrique.
Les supraconducteurs pourraient révolutionner notre façon d’utiliser et de distribuer l’énergie en réduisant totalement les pertes. Ils peuvent également changer nos modes de transports - par exemple, les trains à lévitation magnétique au Japon reposent sur ce principe. Alors, pourquoi ne sont-ils pas encore au point? Parce que la plupart des supraconducteurs ne fonctionnent que lorsque leur température est refroidie et qu’ils s’approchent de l’inaccessible zéro absolu. Certains supraconducteurs, qui fonctionnent à des températures plus élevées, pourraient représenter la solution.
Des couples brisés… à l’aide d’un laser
Les supraconducteurs à haute température (SHT) fonctionnent aux alentours des -135 °C. Ces températures, certes basses, offrent néanmoins des possibilités plus intéressantes et moins coûteuses que les supraconducteurs conventionnels. Cependant, les progrès du SHT sont limités par un manque de connaissances théoriques. Par exemple, nous savons que les paires d’électrons de Cooper entrent également en jeu dans la supraconductivité à haute température, mais il n’existe pas de consensus sur la manière dont elles se forment.
Pour la première fois, Fabrizio Carbone et son équipe ont pu observer en temps réel, dans un supraconducteur SHT, la formation des paires de Cooper. Ils ont ainsi pu déterminer comment le processus affecte les propriétés optiques du supraconducteur. Pour y parvenir, les scientifiques ont refroidi un SHT jusqu’à sa température supraconductrice. Ils ont ensuite envoyé des impulsions laser de façon répétée pour briser les paires d’électrons Cooper afin qu'elles redeviennent des électrons uniques. Durant la phase de séparation et de reformation de ces paires, celles-ci ont produit un changement périodique dans le spectre chromatique du supraconducteur. En mesurant le changement de couleur, les chercheurs ont pu directement étudier ce qui se passe. Ils ont découvert que, dans les supraconducteurs à haute température, la formation des paires de Cooper différait totalement de celles que l’on observe dans les supraconducteurs conventionnels.
Les résultats de Fabrizio Carbone représentent la première observation directe de la formation des paires d’électrons de Cooper dans la supraconductivité à haute température. Ils fournissent aussi aux chercheurs des outils précieux pour observer ce phénomène en temps réel. Etendue à des matériaux différents, cette nouvelle approche pourrait même permettre une compréhension encore plus fine du fonctionnement de ce type de supraconductivité.