L’électricité ne circule que dans un sens dans ce supraconducteur

Imaginez si votre ordinateur pouvait fonctionner avec de l’électricité qui circule indéfiniment sans surchauffe. Ce n’est pas magique : c’est l’avenir potentiel d’un phénomène réel appelé supraconductivité, qui sous-tend aujourd’hui tout, de la recherche magnétique de pointe aux IRM.

Maintenant, les scientifiques ont découvert qu’ils pouvaient fabriquer un supraconducteur différent des autres précédents. Il laisse l’électricité circuler dans une seule direction : comme un train pointant vers le bas, il glisse librement dans un sens mais fait face à une montée intimidante dans l’autre. Cela semble mystérieux, mais cette capacité est essentielle pour fabriquer des circuits électroniques comme ceux qui alimentent votre ordinateur. Si les résultats de ces scientifiques se maintiennent, cela pourrait rapprocher un peu plus cet avenir.

“Il y a tellement de possibilités amusantes disponibles maintenant”, déclare Mazhar Ali, physicien à l’Université de technologie de Delft aux Pays-Bas, et l’un des auteurs qui ont publié leurs travaux dans la revue Nature le 27 avril.

La supraconductivité va à l’encontre de la façon dont la physique devrait fonctionner. Normalement, lorsque le courant électrique circule le long d’un fil, les électrons à l’intérieur font face à une forte résistance, se frottant contre les atomes qui forment le fil. L’énergie électrique se perd, souvent sous forme de chaleur. C’est en grande partie la raison pour laquelle vos appareils électroniques peuvent être chauds au toucher. C’est aussi une énorme perte d’efficacité.

Mais si vous refroidissez en profondeur un matériau conducteur d’électricité, vous atteindrez un point que les scientifiques appellent la température critique. La température critique précise dépend de la substance, mais elle se situe généralement dans le domaine cryogénique, à peine au-dessus du zéro absolu, la température la plus froide autorisée par la physique. Au point critique, la résistance du matériau plonge d’une falaise pour devenir fonctionnellement nulle. Maintenant, vous avez créé un supraconducteur.

À quoi ressemble l’électricité sans résistance ? Cela signifie que le courant peut circuler dans un fil, théoriquement pendant une éternité, sans se dissiper. C’est une réalisation surprenante en physique, où le mouvement perpétuel ne devrait pas être possible.

Nous connaissons cette bizarrerie magique de la physique quantique depuis qu’un étudiant aux Pays-Bas l’a découverte en 1911. Aujourd’hui, les scientifiques utilisent la supraconductivité pour observer des champs magnétiques extrêmement petits, comme ceux à l’intérieur du cerveau des souris. En enroulant des fils supraconducteurs autour d’un aimant, les ingénieurs peuvent fabriquer des électroaimants à faible énergie et haute puissance qui alimentent tout, des appareils IRM dans les hôpitaux à la prochaine génération de trains à grande vitesse japonais.

Les trains à grande vitesse n’étaient probablement pas dans l’esprit d’Ali et de ses collègues lorsqu’ils se sont mis au travail. “Mon groupe n’abordait pas cette recherche dans le but de réaliser la supraconductivité à sens unique”, explique Ali.

Le groupe d’Ali, il y a plusieurs années, avait commencé à étudier les propriétés d’un métal au nom évocateur, Nb3Br8, composé d’atomes de niobium (un métal souvent utilisé dans certains types d’acier et d’aimants spécialisés) et de brome (un halogène, similaire au chlore ou à l’iode). , que l’on trouve souvent dans les produits ignifuges).

Au fur et à mesure que l’équipe de l’étude fabriquait des feuilles de plus en plus minces de Nb3Br8, ils ont constaté qu’il devenait en fait de plus en plus conducteur. C’est inhabituel. Pour approfondir leurs recherches, ils se sont tournés vers une technique éprouvée : faire un sandwich. Deux morceaux d’un supraconducteur connu étaient le pain et Nb3Br8 était la garniture. Les chercheurs ont pu en savoir plus sur le Nb3Br8 grâce à son impact sur le sandwich. Et quand ils ont regardé, ils ont découvert qu’ils avaient fabriqué un supraconducteur à sens unique.

Ce que le groupe d’Ali a créé ressemble beaucoup à une diode : un composant qui ne conduit l’électricité que dans une seule direction. Les diodes sont omniprésentes dans l’électronique moderne, essentielles pour étayer la logique qui permet aux ordinateurs de fonctionner.

Pourtant, Ali et ses collègues ne savent pas exactement comment cet effet fonctionne dans l’objet qu’ils ont créé. Il s’avère également que cela “viole notre compréhension actuelle de la façon dont la supraconductivité unidirectionnelle peut se produire”, déclare Ali. “Il y a aussi beaucoup de recherche fondamentale qui doit être faite” pour découvrir la nouvelle physique cachée.

Ce n’est pas la première fois que des physiciens construisent une route supraconductrice à sens unique, mais les constructions précédentes nécessitaient généralement des champs magnétiques. C’est courant lorsqu’il s’agit de manipuler des supraconducteurs, mais cela complique la vie des ingénieurs.

“L’application de champs magnétiques est fastidieuse”, explique Anand Bhattacharya, physicien au Laboratoire national d’Argonne dans la banlieue de Chicago, qui n’était pas l’un des auteurs de l’article. Si les ingénieurs veulent manipuler différentes parties d’un supraconducteur, par exemple, les champs magnétiques constituent un formidable défi. “Vous ne pouvez pas vraiment appliquer un champ magnétique, très localement, à un petit bonhomme.”

Pour les personnes qui rêvent de construire de l’électronique avec des supraconducteurs, la capacité d’envoyer de l’électricité dans une direction est une source d’inspiration puissante. “Vous pouvez imaginer des applications d’appareils très cool à basse température”, déclare Bhattacharya.

De tels dispositifs, selon certains scientifiques, ont des hôtes évidents : les ordinateurs quantiques, qui exploitent des particules comme des atomes pour fabriquer des dispositifs qui font des choses que les ordinateurs conventionnels ne peuvent pas faire. Le problème est que de minuscules quantités de chaleur peuvent éjecter les ordinateurs quantiques. Les ingénieurs doivent donc les construire dans des congélateurs cryogéniques qui les maintiennent à peine au-dessus du zéro absolu. Le problème s’aggrave à nouveau : l’électronique normale ne fonctionne pas très bien à ces températures. Une diode supraconductrice ultra-froide, en revanche, peut prospérer.

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Les ordinateurs conventionnels pourraient également en bénéficier : pas votre ordinateur personnel ou votre ordinateur portable, très probablement, mais des mastodontes plus gros comme les superordinateurs industriels. D’autres bénéficiaires pourraient être les racks de serveurs colossaux qui bordent les centres de données mondiaux. Ils représentent 1 % de la consommation mondiale d’énergie, comparable à l’ensemble des pays de taille moyenne. Apporter des supraconducteurs aux serveurs de données pourrait les rendre des milliers de fois plus économes en énergie.

Il y a du chemin à parcourir avant que cela puisse arriver. Une prochaine étape consiste à trouver comment produire plusieurs diodes supraconductrices à la fois. Une autre consiste à trouver comment les faire fonctionner au-dessus de -321 ° F, le point d’ébullition de l’azote liquide : cette température semble extrêmement basse, mais elle est plus facile à atteindre que les températures encore plus froides, fournies par l’hydrogène liquide, dont les appareils actuels pourraient avoir besoin.

Malgré ces défis, Ali est enthousiasmé par l’avenir de la recherche de son groupe. “Nous avons des idées très précises pour attaquer ces deux avenues et espérons voir d’autres résultats révolutionnaires dans les deux prochaines années”, dit-il.