Que sont les supraconducteurs et comment fonctionnent-ils ?

L'électricité sans gaspillage

Chaque fil que vous branchez dans une prise gaspille de l'énergie. Les électrons entrent en collision avec les atomes lorsqu'ils circulent, générant de la chaleur – cette subtile chaleur sur un chargeur de téléphone est un rappel de l'inefficacité des conducteurs ordinaires. Les supraconducteurs sont des matériaux qui éliminent complètement ce gaspillage : en dessous d'une température critique spécifique, leur résistance électrique chute à zéro exact. Un courant établi dans une boucle supraconductrice circulera indéfiniment, sans source d'alimentation, sans perdre un seul électron en chaleur.

Il ne s'agit pas d'une approximation théorique. C'est un fait physique mesurable, observé pour la première fois par le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes en 1911 lorsqu'il a refroidi du mercure à 4 degrés au-dessus du zéro absolu et a vu sa résistance disparaître. Cette découverte lui a valu un prix Nobel – et a ouvert l'une des plus longues quêtes de la physique moderne.

Les paires de Cooper : le secret derrière la résistance zéro

Pendant des décennies, personne n'a compris pourquoi la résistance disparaissait. La réponse est venue en 1957, lorsque John Bardeen, Leon Cooper et John Schrieffer ont publié la théorie BCS – du nom de leurs initiales – et ont remporté un deuxième prix Nobel de physique.

Dans un métal ordinaire, les électrons voyagent seuls et entrent constamment en collision avec les atomes vibrants du réseau cristallin, dispersant l'énergie sous forme de chaleur. Dans un supraconducteur, quelque chose de contre-intuitif se produit : lorsqu'un électron traverse le réseau, il attire légèrement les ions chargés positivement qui l'entourent, créant une région éphémère de charge positive. Cette région positive attire alors un deuxième électron. Les deux électrons se lient lâchement pour former ce que les physiciens appellent une paire de Cooper.

Les paires de Cooper se comportent très différemment des électrons isolés. Elles se condensent en un état quantique collectif – un superfluide – qui traverse le réseau comme une seule onde cohérente plutôt que comme une foule chaotique. Étant donné que l'onde ne peut pas se disperser sur des atomes individuels sans briser l'ensemble du condensat, la résistance devient impossible.

L'effet Meissner : les aimants flottants

La supraconductivité a une deuxième propriété, visuellement frappante. Lorsqu'un matériau supraconducteur passe en dessous de sa température critique, il expulse tous les champs magnétiques de son intérieur – un phénomène appelé effet Meissner. Placez un petit aimant au-dessus d'un disque supraconducteur et le champ parfaitement expulsé du disque repousse, faisant léviter l'aimant en l'air. Cette lévitation magnétique n'est pas une astuce ; c'est une conséquence directe de la physique supraconductrice, et c'est le principe qui sous-tend le train SC Maglev japonais, qui a atteint des vitesses supérieures à 600 km/h.

Où les supraconducteurs fonctionnent déjà

Bien qu'ils nécessitent un froid extrême, les supraconducteurs sont intégrés dans des technologies sur lesquelles des milliards de personnes comptent quotidiennement :

• Scanners IRM : Plus de 35 000 appareils IRM dans le monde utilisent des aimants supraconducteurs – généralement du fil de niobium-titane baigné dans de l'hélium liquide – pour générer les champs magnétiques puissants et stables nécessaires à l'imagerie à haute résolution. Sans la supraconductivité, un appareil IRM ne serait ni abordable ni pratique.
• Accélérateurs de particules : Le Grand collisionneur de hadrons du CERN utilise 1 232 aimants dipolaires supraconducteurs, chacun générant des champs plus de 100 000 fois plus puissants que le champ magnétique terrestre. Sans eux, l'anneau de 27 kilomètres du LHC devrait mesurer 120 kilomètres de long pour atteindre les mêmes énergies de particules.
• Câbles d'alimentation : Les câbles supraconducteurs expérimentaux peuvent transporter cinq fois plus d'électricité que les câbles en cuivre conventionnels de même diamètre, sans pertes de transmission – un avantage essentiel pour les réseaux urbains denses.

Le Saint Graal : la supraconductivité à température ambiante

Le principal défi est la température. Les supraconducteurs conventionnels nécessitent un refroidissement à quelques degrés du zéro absolu (−273 °C), ce qui exige une infrastructure coûteuse d'hélium liquide. Depuis les années 1980, une classe de matériaux appelés cuprates – des céramiques d'oxyde de cuivre – ont montré une supraconductivité à des températures bien plus élevées, supérieures à 77 K (−196 °C), permettant un refroidissement à l'azote liquide moins coûteux. Mais ils restent fragiles et difficiles à fabriquer en bobines pratiques.

Un véritable supraconducteur à température ambiante, fonctionnant aux pressions et températures quotidiennes, serait transformateur : des réseaux électriques nationaux sans perte, du fret à lévitation magnétique et des ordinateurs plus rapides consommant une fraction de l'énergie actuelle. La recherche a produit des affirmations spectaculaires – notamment le matériau coréen LK-99 de 2023, qui a initialement suscité un enthousiasme mondial avant que des laboratoires indépendants ne puissent reproduire les résultats.

Début 2026, des chercheurs de l'Université norvégienne des sciences et de la technologie ont rapporté des preuves que l'alliage NbRe pourrait se comporter comme un supraconducteur triplet – un type plus rare qui peut transporter à la fois des courants électriques et de spin sans résistance, potentiellement utile pour l'informatique quantique. La découverte, publiée dans Physical Review Letters, doit encore être vérifiée de manière indépendante, mais elle illustre la façon dont le domaine continue de progresser.

Pourquoi c'est important

Le Département de l'Énergie des États-Unis estime qu'environ 10 % de l'électricité produite aux États-Unis est perdue en raison de la résistance pendant la transmission. À l'échelle mondiale, cette énergie perdue représente des centaines de milliards de dollars et des millions de tonnes de CO₂ évitables chaque année. Les lignes électriques supraconductrices, même fonctionnant à des températures froides, pourraient éliminer une grande partie de ce gaspillage.

Plus d'un siècle après que Kamerlingh Onnes a refroidi pour la première fois du mercure dans son laboratoire de Leiden, la supraconductivité reste l'une des frontières les plus productives de la physique – déjà indispensable en médecine et en science, et toujours pleine de potentiel non réalisé pour la façon dont le monde se déplace et utilise l'énergie.