Comment fonctionnent les supraconducteurs – et pourquoi nous les voulons plus chauds

Résistance nulle, potentiel infini

Chaque fil électrique de votre maison gaspille de l'énergie. Lorsque l'électricité circule dans le cuivre ou l'aluminium, les électrons entrent en collision avec les atomes, générant de la chaleur et perdant de la puissance. Le département américain de l'Énergie estime qu'environ 5 % de l'électricité produite en Amérique est perdue pendant le transport et la distribution. Les supraconducteurs éliminent complètement ce problème. En dessous d'une température critique spécifique, certains matériaux conduisent l'électricité avec une résistance absolument nulle : le courant circule indéfiniment sans aucune perte d'énergie.

Depuis leur découverte en 1911, les supraconducteurs promettent une révolution dans l'énergie, la médecine et le transport. Le hic : ils ne fonctionnent que lorsqu'ils sont extrêmement froids. Cette limitation a alimenté l'une des quêtes les plus longues de la physique : trouver un supraconducteur qui fonctionne à température ambiante.

Comment fonctionne la supraconductivité

Dans un conducteur normal, les électrons se déplacent indépendamment, heurtant constamment le réseau atomique et perdant de l'énergie sous forme de chaleur. Dans un supraconducteur refroidi en dessous de sa température critique, quelque chose de remarquable se produit : les électrons s'apparient en ce que les physiciens appellent des paires de Cooper.

Ces électrons appariés sont liés par de minuscules vibrations dans le réseau cristallin appelées phonons. Contrairement aux électrons isolés, les paires de Cooper se déplacent à travers le matériau dans un état quantique coordonné, glissant devant les atomes sans se disperser. Le résultat est un superfluide de porteurs de charge qui ne rencontre aucune résistance.

Les supraconducteurs présentent également l'effet Meissner : ils expulsent activement les champs magnétiques de leur intérieur. Des courants de surface apparaissent et génèrent un champ opposé, ce qui explique pourquoi un aimant placé au-dessus d'un supraconducteur flotte en l'air. Ce n'est pas qu'un simple tour de passe-passe ; c'est le principe qui sous-tend la technologie de la lévitation magnétique.

Où les supraconducteurs fonctionnent déjà

Malgré la nécessité d'un refroidissement extrême, les supraconducteurs alimentent plusieurs technologies essentielles :

• Appareils d'IRM : Les champs magnétiques puissants et stables à l'intérieur de chaque scanner IRM d'hôpital sont générés par des bobines supraconductrices en niobium-titane, refroidies par de l'hélium liquide à environ 4 Kelvin (−269 °C). Cela représente un marché mondial de plusieurs milliards de dollars.
• Trains à lévitation magnétique : Le SCMaglev japonais utilise des électroaimants supraconducteurs pour faire léviter et propulser les trains à des vitesses dépassant 600 km/h, bien au-delà de ce que le rail conventionnel peut atteindre.
• Accélérateurs de particules : Le Grand collisionneur de hadrons du CERN repose sur plus de 1 200 aimants supraconducteurs refroidis à 1,9 K pour courber les faisceaux de particules autour de son anneau de 27 kilomètres.
• Câbles d'alimentation : Des projets pilotes comme le câble supraconducteur de Long Island ont démontré qu'un fil supraconducteur à haute température, refroidi à l'azote liquide, peut fournir de l'énergie à travers des zones urbaines denses avec pratiquement aucune perte de transmission.

Le problème de la température

Lorsque le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes a découvert la supraconductivité dans le mercure en 1911, la température critique n'était que de 4,2 Kelvin. Pendant des décennies, les progrès ont été lents. Un grand pas en avant a été franchi en 1986 lorsque les chercheurs d'IBM Georg Bednorz et Karl Alex Müller ont trouvé des composés céramiques d'oxyde de cuivre qui deviennent supraconducteurs à environ 35 K, ce qui leur a valu un prix Nobel et a lancé l'ère des supraconducteurs à haute température.

En moins d'un an, les scientifiques ont poussé le record au-dessus de 90 K en utilisant de l'oxyde d'yttrium, de baryum et de cuivre (YBCO), franchissant ainsi le seuil crucial de l'azote liquide de 77 K. Cela a rendu le refroidissement beaucoup moins cher et plus pratique. Sous des pressions extrêmes, des composés riches en hydrogène ont depuis montré une supraconductivité au-dessus de 250 K, mais ces conditions sont impossibles à maintenir en dehors d'un laboratoire.

La dernière étape importante a été franchie en mars 2026, lorsque des physiciens de l'université de Houston ont atteint 151 Kelvin (−122 °C) à pression ambiante en utilisant une technique de « trempe sous pression » sur une céramique à base de mercure. C'est la température critique la plus élevée jamais enregistrée sans maintenir une pression élevée, mais elle reste environ 140 degrés en dessous de la température ambiante.

Pourquoi la température ambiante est importante

Un supraconducteur à température ambiante serait transformateur. Les réseaux électriques pourraient transmettre l'électricité à travers les continents sans aucune perte. Les appareils d'IRM pourraient être réduits en taille et en coût, rendant l'imagerie médicale avancée accessible dans le monde entier. Les ordinateurs quantiques pourraient fonctionner sans systèmes de refroidissement complexes. Les moteurs et les générateurs électriques deviendraient radicalement plus efficaces.

Comme les chercheurs de l'Académie nationale des sciences des États-Unis l'ont récemment souligné, deux défis clés demeurent : améliorer les modèles de calcul qui prédisent quels matériaux pourraient devenir supraconducteurs et concevoir ces matériaux de manière à ce qu'ils puissent réellement être fabriqués. Aucune loi fondamentale de la physique n'interdit la supraconductivité à température ambiante : l'obstacle est de trouver le bon matériau et de comprendre pourquoi il fonctionne.

Après plus d'un siècle de progrès progressifs, la quête continue. Chaque record battu réduit l'écart entre la curiosité de laboratoire et la technologie qui change le monde.