Les supraconducteurs : quand le courant passe sans perte

Refroidis assez, certains matériaux laissent passer le courant sans aucune résistance et chassent le champ magnétique. Un siècle après sa découverte, la supraconductivité fait tourner les IRM, les accélérateurs et les machines à fusion.

Dans un fil de cuivre, les électrons se heurtent sans cesse aux atomes et aux impuretés : une partie de l'énergie électrique part en chaleur. Il existe pourtant des matériaux qui, refroidis sous une certaine température, dite température critique, perdent toute résistance électrique. Un courant lancé dans une boucle supraconductrice peut y circuler pendant des années, sans pile ni perte. Ce phénomène, découvert de façon inattendue il y a plus d'un siècle, est devenu un outil industriel, et reste en partie une énigme.

1911 : le mercure qui ne résiste plus

Le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes, à Leyde, avait réussi à liquéfier l'hélium, ce qui lui ouvrait l'accès aux températures les plus basses jamais atteintes. Le 8 avril 1911, en mesurant la résistance d'un fil de mercure très pur, il observe qu'en dessous de 4,2 K (environ −269 °C) elle chute brutalement à zéro. La chute n'a rien de progressif : c'est une transition nette, le signe que le métal change d'état. Kamerlingh Onnes baptise ce comportement « supraconductivité ».

L'effet Meissner : un matériau qui chasse le champ

En 1933, Walther Meissner et Robert Ochsenfeld montrent que la supraconductivité est plus qu'une résistance nulle. Placé dans un champ magnétique modéré puis refroidi, un supraconducteur expulse le champ de son intérieur : des courants apparaissent à sa surface et annulent le champ dans le volume. Un conducteur parfait ordinaire se contenterait de « figer » le champ présent ; le supraconducteur, lui, le chasse activement. C'est l'effet Meissner, la vraie signature de l'état supraconducteur.

En termes simples, à l'intérieur du matériau on a à la fois R = 0 (aucune résistance) et B = 0 (aucun champ). On parle de diamagnétisme parfait. C'est ce qui permet les démonstrations spectaculaires où un petit aimant flotte au-dessus d'une pastille refroidie. L'explication microscopique des supraconducteurs classiques, proposée en 1957 par Bardeen, Cooper et Schrieffer, repose sur des électrons qui s'associent par paires et se déplacent ensemble sans être freinés.

1986 : la surprise des céramiques

Pendant soixante-quinze ans, les records progressent lentement : en 1986, le meilleur matériau connu devient supraconducteur vers 23 K. Cette année-là, Georg Bednorz et Alex Müller, au laboratoire d'IBM à Zurich, découvrent qu'une céramique à base de lanthane, de baryum, de cuivre et d'oxygène devient supraconductrice une douzaine de degrés plus haut, vers 35 K. La découverte leur vaut le prix Nobel dès 1987. Des centaines de laboratoires se lancent alors sur ces oxydes de cuivre, les cuprates, et dans les premiers mois de 1987 la barre des 90 K est franchie.

Le seuil est symbolique : au-dessus de 77 K, la température de l'azote liquide, on peut refroidir avec un fluide bon marché et facile à manipuler, au lieu de l'hélium liquide, rare et coûteux. On parle depuis de supraconducteurs « à haute température », même si l'on reste très loin de la température ambiante. Près de quarante ans plus tard, le mécanisme exact de ces cuprates reste débattu.

Et sur Terre ? Des aimants géants

L'usage principal des supraconducteurs n'est pas le transport d'électricité mais la fabrication d'électroaimants très puissants. Dans une bobine, le champ magnétique croît avec le courant : pour un long solénoïde, B = \mu_0 n I, où n est le nombre de spires par mètre et I l'intensité. Un fil sans résistance accepte des courants énormes sans chauffer.

L'IRM : la plupart des appareils d'imagerie par résonance magnétique utilisent des bobines en alliage niobium-titane plongées dans l'hélium liquide. Les appareils de recherche destinés au corps humain atteignent aujourd'hui 11,7 teslas.
Le LHC du CERN : 1 232 aimants dipolaires de 14,3 m, en niobium-titane refroidi à 1,9 K, produisent environ 8,3 teslas avec un courant de près de 12 000 ampères pour courber la trajectoire des protons.
ITER, à Saint-Paul-lez-Durance : dix-huit bobines toroïdales en niobium-étain atteignent 11,8 teslas, et le solénoïde central 13 teslas, le tout refroidi vers 4 K. L'ensemble, près de 10 000 tonnes d'aimants, stocke 51 gigajoules d'énergie magnétique.

Les nouveaux rubans supraconducteurs à haute température permettent d'imaginer des aimants plus intenses et plus compacts, pour des machines à fusion plus petites, des IRM moins gourmandes en hélium ou des générateurs d'éoliennes plus légers. Les rendre légers et assez résistants aux radiations pour voler à bord d'un vaisseau est l'objet d'une marche d'Anthropolaris (voir la marche D-NRG-01).

La température ambiante, un rêve sous surveillance

Un supraconducteur fonctionnant à température et pression ordinaires bouleverserait l'électrotechnique. D'où l'emballement qui accompagne chaque annonce. En juillet 2023, une équipe coréenne affirme dans des prépublications que le LK-99, un composé de cuivre, de plomb, de phosphore et d'oxygène, est supraconducteur jusqu'à 127 °C. En quelques semaines, des laboratoires du monde entier refont l'expérience. Verdict : la chute de résistance s'explique par une impureté, le sulfure de cuivre, qui change de structure vers 104 °C ; la « demi-lévitation » filmée relève du ferromagnétisme ; et des cristaux purs de LK-99 se révèlent isolants. L'épisode rappelle qu'une revendication de supraconductivité doit montrer à la fois la résistance nulle et l'effet Meissner, et être reproduite de façon indépendante.

La recherche continue, guidée désormais par le calcul et l'intelligence artificielle autant que par l'intuition des chimistes. Comprendre enfin pourquoi les cuprates conduisent sans perte, et trouver des matériaux qui le font plus chaud, plus robustes et moins chers, reste l'une des grandes questions ouvertes de la physique de la matière.