« Avec ce matériau, l’aube de la supraconductivité ambiante et des technologies appliquées est arrivée », selon une équipe dirigée par Ranga Dias, professeur adjoint de génie mécanique et de physique. Dans un article de Nature, les chercheurs décrivent un hydrure de lutétium dopé à l’azote (NDLH) qui présente une supraconductivité à 69 degrés Fahrenheit et 10 kilobars (145 000 livres par pouce carré, ou psi) de pression.

Bien que 145 000 psi puissent encore sembler extraordinairement élevés (la pression au niveau de la mer est d’environ 15 psi), les techniques d’ingénierie des contraintes couramment utilisées dans la fabrication de puces, par exemple, incorporent des matériaux maintenus ensemble par des pressions chimiques internes encore plus élevées.

Les scientifiques poursuivent cette percée dans la physique de la matière condensée depuis plus d’un siècle. Les matériaux supraconducteurs ont deux propriétés essentielles : la résistance électrique disparaît et les champs magnétiques expulsés passent autour du matériau supraconducteur. De tels matériaux pourraient permettre :

• Réseaux électriques qui transmettent l’électricité sans perdre jusqu’à 200 millions de mégawattheures (MWh) de l’énergie qui se produit actuellement en raison de la résistance dans les fils
• Trains à grande vitesse sans frottement et en lévitation
• Des techniques d’imagerie médicale et de numérisation plus abordables telles que l’IRM et la magnétocardiographie
• Électronique plus rapide et plus efficace pour la logique numérique et la technologie des dispositifs de mémoire
• Machines tokamak qui utilisent des champs magnétiques pour confiner les plasmas afin de réaliser la fusion comme source de puissance illimitée

Auparavant, l’équipe de Dias a rapporté avoir créé deux matériaux – l’hydrure de soufre carboné et le superhydrure d’yttrium – qui sont supraconducteurs à 58 degrés Fahrenheit/39 millions de psi et 12 degrés Fahreneheit/26 millions de psi respectivement, dans des articles de Nature et Lettres d’examen physique.

Compte tenu de l’importance de la nouvelle découverte, Dias et son équipe ont déployé des efforts inhabituels pour documenter leurs recherches et éviter les critiques qui se sont développées à la suite de la précédente. Nature papier, qui a conduit à une rétractation par les éditeurs de la revue. L’article précédent a été soumis à nouveau à Nature avec de nouvelles données qui valident les travaux antérieurs, dit Dias. Les nouvelles données ont été recueillies à l’extérieur du laboratoire, aux laboratoires nationaux d’Argonne et de Brookhaven devant un public de scientifiques qui ont vu la transition supraconductrice en direct. Une approche similaire a été adoptée avec le nouveau document.

Cinq étudiants diplômés du laboratoire de Dias – Nathan Dasenbrock-Gammon, Elliot Snider, Raymond McBride, Hiranya Pasan et Dylan Durkee – sont répertoriés comme co-auteurs principaux. « Tous les membres du groupe ont participé à la réalisation des expériences », explique Dias. « C’était vraiment un effort collectif. »

« Transformation visuelle surprenante » à la supraconductivité et au-delà

Les hydrures créés en combinant des métaux de terres rares avec de l’hydrogène, puis en ajoutant de l’azote ou du carbone, ont fourni aux chercheurs une « recette de travail » alléchante pour créer des matériaux supraconducteurs ces dernières années. En termes techniques, les hydrures de métaux de terres rares forment des structures en cage de type clathrate, où les ions de métaux de terres rares agissent comme donneurs de porteurs, fournissant suffisamment d’électrons qui amélioreraient la dissociation des molécules H2. L’azote et le carbone aident à stabiliser les matériaux. Résultat : moins de pression est nécessaire pour que la supraconductivité se produise.

En plus de l’yttrium, les chercheurs ont utilisé d’autres métaux de terres rares. Cependant, les composés résultants deviennent supraconducteurs à des températures ou des pressions qui ne sont toujours pas pratiques pour les applications.

Donc, cette fois, Dias a regardé ailleurs le long du tableau périodique.

Le lutétium ressemblait à « un bon candidat à essayer », dit Dias. Il a 14 électrons entièrement remplis hautement localisés dans sa configuration orbitale f qui suppriment le ramollissement des phonons et améliorent le couplage électron-phonon nécessaire pour que la supraconductivité ait lieu à des températures ambiantes. « La question clé était, comment allons-nous stabiliser cela pour abaisser la pression requise? Et c’est là que l’azote est entré en scène. »

L’azote, comme le carbone, a une structure atomique rigide qui peut être utilisée pour créer un réseau en forme de cage plus stable dans un matériau et il durcit les phonons optiques à basse fréquence, selon Dias. Cette structure fournit la stabilité pour que la supraconductivité se produise à basse pression.

L’équipe de Dias a créé un mélange gazeux de 99% d’hydrogène et de 1% d’azote, l’a placé dans une chambre de réaction avec un échantillon pur de lutétium et a laissé les composants réagir pendant deux à trois jours à 392 degrés Fahrenheit.

Le composé lutétium-azote-hydrogène résultant était initialement d’une « couleur bleuâtre brillante », indique l’article. Lorsque le composé a ensuite été comprimé dans une cellule à enclume de diamant, une « transformation visuelle surprenante » s’est produite : du bleu au rose au début de la supraconductivité, puis à un état métallique non supraconducteur rouge vif.

« C’était un très rouge vif », dit Dias. « J’ai été choqué de voir des couleurs de cette intensité. Nous avons suggéré avec humour un nom de code pour le matériau à cet état — « reddmatter » — d’après un matériau que Spock a créé dans le populaire 2009 Star Trek film. » Le nom de code est resté.

La pression de 145 000 psi requise pour induire la supraconductivité est inférieure de près de deux ordres de grandeur à la basse pression précédente créée dans le laboratoire de Dias.

Algorithmes d’apprentissage automatique pour prédire de nouveaux matériaux supraconducteurs

Grâce au soutien financier du prix CAREER de la National Science Foundation de Dias et à une subvention du département américain de l’énergie, son laboratoire a maintenant répondu à la question de savoir si un matériau supraconducteur peut exister à la fois à des températures ambiantes et à des pressions suffisamment basses pour des applications pratiques.

« Une voie vers l’électronique grand public supraconductrice, les lignes de transfert d’énergie, le transport et des améliorations significatives du confinement magnétique pour la fusion sont désormais une réalité », a déclaré Dias. « Nous pensons que nous sommes maintenant à l’ère supraconductrice moderne. »

Par exemple, Dias prédit que l’hydrure de lutétium dopé à l’azote accélérera considérablement les progrès dans le développement de machines tokamak pour réaliser la fusion. Au lieu d’utiliser de puissants faisceaux laser convergents pour faire imploser une pastille de combustible, les tokamaks s’appuient sur de puissants champs magnétiques émis par une enceinte en forme de beignet pour piéger, retenir et enflammer des plasmas surchauffés. NDLH, qui produit un « énorme champ magnétique » à température ambiante, « changera la donne » pour la technologie émergente, a déclaré Dias.

Selon Dias, la possibilité de former des algorithmes d’apprentissage automatique avec les données accumulées de l’expérimentation supraconductrice dans son laboratoire est particulièrement excitante pour prédire d’autres matériaux supraconducteurs possibles – en fait, mélanger et assortir des milliers de combinaisons possibles de métaux de terres rares, azote, hydrogène et carbone.

« Dans la vie de tous les jours, nous utilisons de nombreux métaux différents pour différentes applications, nous aurons donc également besoin de différents types de matériaux supraconducteurs », déclare Dias. « Tout comme nous utilisons différents métaux pour différentes applications, nous avons besoin de plus de supraconducteurs ambiants pour différentes applications. »

Le co-auteur Keith Lawlor a déjà commencé à développer des algorithmes et à effectuer des calculs à l’aide des ressources de supercalcul disponibles via le Center for Integrated Research Computing de l’Université de Rochester.

Une plaque tournante du nord de l’État de New York pour les matériaux supraconducteurs ?

Le groupe de recherche de Dias a récemment emménagé dans un nouveau laboratoire agrandi au troisième étage de Hopeman Hall sur le River Campus. Il s’agit de la première étape d’un plan ambitieux visant à lancer un Centre d’innovation supraconductrice (CSI) délivrant des diplômes à l’Université de Rochester, dit-il.

Le centre créerait un écosystème pour attirer des professeurs et des scientifiques supplémentaires à l’Université afin de faire progresser la science de la supraconductivité. Les étudiants formés élargiraient le bassin de chercheurs dans le domaine.

« Notre espoir est de faire du nord de l’État de New York la plaque tournante de la technologie supraconductrice », a déclaré Dias.

Vidéo : https://youtu.be/ryJxMYX7YEU