La supraconductivité: Pourquoi tant de publicité?

UN RÉCIPIENT semblable à une demi-tasse à café. À l’intérieur, une pastille noire de la taille d’un petit bouton, surmontée d’une puce en métal. Un élève verse avec précaution de petites quantités d’un liquide fumant dans la tasse. Autour de la table, les assistants ont les yeux braqués sur l’expérience.

Au contact de la tasse, le liquide crépite violemment puis s’apaise, et le calme revient. La puce métallique commence alors à s’agiter. Brusquement, elle se décolle de la pastille et se met à flotter d’elle-​même dans l’air. Pour prouver qu’il n’y a aucun truc, l’élève prend une boucle métallique et la fait passer sous la puce. Aucun doute, cette dernière est bel et bien en lévitation.

Cette expérience de supraconductivité a été réalisée en Californie par des élèves d’une école secondaire. Il y a à peine un an ou deux, seuls les laboratoires à la pointe de la recherche, disposant d’un équipement sophistiqué et d’importants moyens financiers, auraient pu réaliser ce genre de démonstrations. Le fait que cette expérience ait été conduite dans un établissement scolaire atteste de la rapidité des progrès dans le domaine de la supraconductivité.

En mai 1987, la revue Time titrait en couverture: “Supraconducteurs: l’extraordinaire découverte qui pourrait changer la face du monde.” Newsweek a parlé d’“une nouvelle révolution électrique”. En France, l’hebdomadaire Le Point a titré “Supraconducteurs: la découverte qui fait rêver”. Qu’est donc la supraconductivité, et pourquoi fait-​elle l’objet de tant de publicité?

De longues recherches pour un matériau idéal

La conductivité se définit comme la mesure de la capacité d’une substance à transmettre un courant électrique. Nous savons pour la plupart que des matériaux comme le verre et la porcelaine ne sont pas conducteurs. En revanche, des métaux comme le cuivre, l’or et le platine sont de bons conducteurs, car ils n’opposent qu’une résistance relativement faible au courant électrique. La supraconductivité se caractérise par l’absence de toute résistance au courant électrique; il s’agit d’un état idéal, qui permet au courant de traverser une substance librement sans subir aucune perte d’énergie.

Depuis longtemps les scientifiques pensent aux nombreux débouchés qu’ouvrirait la découverte de ce matériau idéal: le supraconducteur. Par exemple, des lignes électriques supraconductrices remplaceraient déjà avantageusement les câbles classiques, dont la résistance est responsable d’énormes pertes énergétiques, mais elles sonneraient également le glas des laides et coûteuses lignes à haute tension qui sillonnent nos campagnes. Grâce aux matériaux supraconducteurs, on pourrait aussi fabriquer des ordinateurs compacts ultra-rapides capables de travailler à des vitesses jusqu’alors inaccessibles. Les propriétés magnétiques particulières des supraconducteurs pourraient donner naissance à une nouvelle génération d’aimants à champs magnétiques intenses, grâce auxquels on pourrait réaliser certains projets encore expérimentaux: des scanners médicaux fournissant une meilleure imagerie médicale, le train ultra-rapide à sustentation magnétique, des accélérateurs de particules géants et même la fusion nucléaire.

Aussi fascinant soit-​il, ce programme comporte néanmoins un point faible. Depuis plus de 75 ans, les scientifiques savent que certains métaux deviennent supraconducteurs, mais seulement lorsqu’ils sont soumis à des températures extrêmement basses, de l’ordre de plusieurs centaines de degrés au-dessous de zéro. C’est le Néerlandais Heike Kamerlingh Onnes qui, en 1911, a ouvert la voie de la supraconductivité. Ayant seulement mis au point une technique de liquéfaction de l’hélium (travaux qui lui valurent le prix Nobel en 1913), il avait entrepris de tester la réaction de différents métaux aux basses températures. Fortuitement, il découvrit que le mercure perd toute résistance électrique à − 269 °C, ou 4 K, quatre degrés au-dessus de ce que les scientifiques appellent le zéro absolu sur l’échelle Kelvina.

Bien que cette découverte fût presque accidentelle, on en comprit rapidement toute l’importance. Cependant, les températures extrêmement basses, dites températures critiques ou de transition, à partir desquelles les matériaux deviennent supraconducteurs constituaient un lourd handicap. Le caractère onéreux et complexe des manipulations à basses températures limitait la valeur pratique du principe. Au cours des décennies suivantes, on expérimenta de nouveaux matériaux avec l’espoir d’en découvrir un qui deviendrait supraconducteur à des températures plus élevées. Mais les progrès étaient lents.

Avec le temps, cependant, on mit en évidence d’autres propriétés liées à la supraconductivité. En 1933, une découverte des plus importantes révéla que, placé à l’intérieur d’un champ magnétique, un supraconducteur ne se laisse pas traverser par le flux magnétique; soit il le repousse, soit c’est lui qui est repoussé. C’est ce phénomène, appelé effet Meissner, qui a permis à nos élèves de réaliser leur expérience de lévitation. Ces nouvelles données eurent pour conséquence de relancer la chasse aux supraconducteurs “tièdes”. Pourtant, les recherches continuaient à piétiner. Pas plus tard qu’en 1973, on obtenait les meilleurs résultats avec certains alliages qui devenaient supraconducteurs à 23 K (− 250 °C), une température encore bien trop basse pour autoriser des applications pratiques du procédé. Au cours des douze années suivantes, la situation n’a pour ainsi dire pas évolué.

Température en hausse

Les événements prennent une nouvelle tournure lorsque deux chercheurs du laboratoire IBM de Zurich (Suisse) suggèrent que la lenteur des progrès est peut-être due à l’emploi de matériaux inappropriés. Jusqu’alors, on a travaillé presque exclusivement sur des métaux et des alliages. “Je suis convaincu qu’on ne fera plus aucun progrès en suivant cette filière”, déclare Alex Müller, l’un des deux scientifiques.

En 1983, Alex Müller et son collaborateur Georg Bednorz commencent à tester différents oxydes de métaux. Dès le début de 1986, ils obtiennent le premier résultat probant depuis des années grâce à un composé de baryum, de lanthane, de cuivre et d’oxygène, qui devient supraconducteur à 35 K (− 238 °C). Quand elle est finalement publiée en septembre 1986, la nouvelle prend la communauté scientifique au dépourvu. Le matériau utilisé par les chercheurs du laboratoire suisse appartient en effet à la famille des céramiques, substance en principe isolante. Personne ne pouvait donc soupçonner qu’elle serait à l’origine de la plus importante découverte de ces dernières dizaines d’années.

C’est ensuite une succession de records. En février 1987, une équipe de recherche dirigée par Paul Chu, de l’université de Houston (États-Unis), découvre un matériau supraconducteur à 93 K (− 180 °C) en remplaçant le lanthane du mélange de M. Müller par de l’yttrium, un autre élément dit des terres rares.

Avec cette réalisation, la supraconductivité prend une nouvelle dimension. Jusqu’alors, on devait plonger les matériaux étudiés dans l’hélium liquide pour les amener aux basses températures désirées, procédé à la fois très onéreux et complexe. Désormais, on peut les refroidir à l’azote, gaz qui se liquéfie à 77 K (− 196 °C). L’azote liquide est facile à obtenir, il revient moins cher que l’eau minérale et sa manipulation ne nécessite pas un matériel élaboré. Cet avantage, associé au fait que la fabrication des oxydes est également simple et bon marché, joue un rôle déterminant et stimule la recherche en matière de supraconductivité.

L’idéal serait de découvrir un composé supraconducteur à température ambiante, qui rendrait inutile tout système de refroidissement. C’est ce que recherchent fiévreusement les scientifiques du monde entier. En fait, on aurait déjà observé des “traces intermittentes” de supraconductivité à température ambiante.

À la fin de mai 1987, Paul Chu et ses collaborateurs battent leur propre record. Ils découvrent qu’une petite partie d’un échantillon devient supraconductrice à 225 K (− 48 °C), mais seulement par intermittence. Selon Pei-Heng Hor, un membre de l’équipe, “le phénomène se produit pendant quelque temps, puis disparaît, et réapparaît par la suite”. Une autre équipe, rattachée à l’université de Berkeley (Californie), affirme avoir observé une supraconductivité à 292 K (− 19 °C), mais se trouve incapable de répéter l’expérience.

L’aube d’un âge d’or?

Devant cette avalanche de nouvelles saisissantes, beaucoup ont l’impression que nous nous trouvons à l’aube d’une nouvelle ère, d’un âge d’or technologique. Selon eux, la supraconductivité est sur le point de révolutionner notre vie au même titre que la lumière électrique et le transistor l’avaient fait en leur temps. Les fabuleuses perspectives que laisse entrevoir la supraconductivité sont-​elles vraiment pour bientôt?

Tout d’abord, “il nous faut acquérir, sur le plan scientifique, une compréhension plus complète des mécanismes de base qui interviennent dans la supraconductivité avant de pouvoir envisager des applications à la vie courante”, a déclaré Erich Bloch, directeur de la Fondation américaine pour la science. À ce jour, nul ne sait exactement pourquoi les matériaux céramiques artificiels réagissent comme ils le font.

Pour cette raison, de nombreux spécialistes pensent qu’il s’écoulera probablement des années avant que les supraconducteurs quittent les laboratoires et entrent dans la vie de tous les jours. “Le potentiel d’application de ces matériaux est énorme, mais le calendrier fourni par la presse est faux”, a fait remarquer un chercheur du Bureau américain de la vérification. “Il va falloir cinq ans pour les trouver dans les ordinateurs sous forme de films minces, et plus de vingt ans pour les voir utilisés sur une grande échelle.”

Les matériaux supraconducteurs “tièdes” ne sont pas malléables ni faciles à travailler comme le sont les métaux, ce qui constitue un handicap. Quiconque a déjà laissé tomber une assiette en céramique ou en porcelaine sait également que ce matériau friable est cassant. Pourtant, si l’on veut que les supraconducteurs aient un jour une application pratique, il faut en faire des fils et des films. Dans les ordinateurs et les circuits intégrés par exemple, ils doivent prendre l’aspect de films d’un micron d’épaisseur seulement. Les bobines des moteurs et des aimants demandent des fils fins et flexibles tandis que les lignes à haute tension requièrent des câbles solides et souples.

Pour compliquer le tout, les scientifiques ne sont pas sûrs que les matériaux supraconducteurs soient capables de supporter les courants électriques ou les champs magnétiques intenses qu’exigeraient bon nombre de leurs applications. Chaque supraconducteur possède en effet un seuil au delà duquel il perd ses propriétés supraconductrices. Pour l’instant, ce seuil reste relativement bas. Sans doute parviendra-​t-​on à surmonter ces obstacles, mais pas dans l’immédiat.

Cependant, cette invention recèle un côté plus inquiétant. Déjà il est question d’utiliser les supraconducteurs pour des armes à énergie dirigée, comme des faisceaux de particules, dans le cadre de la guerre des étoiles. La supraconductivité s’avérera-​t-​elle être la bénédiction prédite et espérée, ou bien prendra-​t-​elle la même filière que d’autres inventions révolutionnaires du passé comme la poudre à canon et la fission nucléaire? C’est apparemment une question à laquelle personne n’est prêt à répondre.

[Note]

[Encadré, page 21]

Les applications possibles des supraconducteurs

“Les supraconducteurs refroidis à l’azote liquide pourraient faire gagner des milliards aux services publics et permettre d’économiser suffisamment d’énergie pour mettre au moins 50 centrales électriques américaines en réserve”, a déclaré la revue Business Week. Grâce à des lignes à haute tension et à des générateurs supraconducteurs, on pourrait installer des centrales électriques plus puissantes loin des villes. La pollution, le coût et le danger en seraient diminués.

Des trains à sustentation magnétique atteignant des vitesses de 480 kilomètres à l’heure seraient réalisables grâce à des bobines magnétiques supraconductrices d’un faible poids. L’utilisation d’automobiles électriques équipées d’un moteur supraconducteur performant réduirait la pollution atmosphérique en ville. Les navires eux-​mêmes pourraient fonctionner avec de tels moteurs.

Des puces électroniques supraconductrices un millier de fois plus rapides que les transistors de silicium sont d’ores et déjà à l’étude. Grâce à ces puces, les futurs ordinateurs ne seront pas seulement plus rapides mais également plus petits, les dégagements de chaleur étant considérablement réduits. Les ordinateurs de bureau de demain seront aussi puissants que les gros ordinateurs actuels.

Les scanners à RMN (résonance magnétique nucléaire) et les Squids (appareils de détection magnétique à champ extrêmement faible) permettent une exploration fine du corps humain et sont capables de capter les ondes cérébrales. Grâce aux supraconducteurs, on pourra réduire le coût et la complexité de ces appareils, qui seront dès lors à la portée de la plupart des hôpitaux et des cliniques.

Le champ d’application des supraconducteurs est vaste, mais dans quelle proportion sera-​t-​il exploité?

[Crédit photographique, page 19]

Service de recherche IBM