Limitations de la supraconductivité

Electricity has been one of the most transformative technologies in history, allowing for the transmission of a very useful form of energy over long distances. But every “normal” electric system faces electric resistance, which results in the generation of heat when an electric current is applied.

Une alternative existe: les matériaux dits supraconducteurs. Les matériaux supraconducteurs ont une résistance électrique nulle, ce qui permet d’utiliser des courants extrêmement puissants sans générer de chaleur.

Sans la supraconductivité, de nombreuses technologies modernes ne seraient pas possibles, notamment les accélérateurs de particules (par exemple, le CERN), l’IRM et les trains à sustentation magnétique.

La supraconductivité sera un composant crucial des mégaprojets et des innovations technologiques les plus prometteurs, comme ITER et la fusion nucléaire, les propulseurs de masse, les ordinateurs quantiques, etc.

Les lignes électriques sans perte pourraient également être essentielles pour développer des connexions de réseau ultra-longues, aidant à tamponner la production des énergies renouvelables selon les conditions météorologiques et les fuseaux horaires, résolvant ainsi certaines des limites du solaire et de l’éolien.

Le problème jusqu’à présent est que toutes ces applications reposent sur la supraconductivité à basse température, où les matériaux ne sont supraconducteurs que lorsqu’ils sont refroidis à des températures très basses comme 20°K/-253°C/-423°F, nécessitant généralement de l’hélium liquide.

Cela le rend non seulement trop complexe pour toutes les applications sauf les plus exigeantes (maglev, IRM, etc.), mais aussi très coûteux, le rendant peu économique pour de nombreuses applications qui pourraient bénéficier d’un matériau supraconducteur ou d’une utilisation à grande échelle.

De nombreux chemins vers la supraconductivité

D’autres formes de supraconductivité que les matériaux ultra-froids nécessitent une pression très élevée constante pour que le matériau reste supraconducteur. Cela peut être intéressant d’un point de vue expérimental, mais encore moins pratique pour les applications industrielles ou les infrastructures énergétiques et de transport.

La supraconductivité à haute température pourrait devenir une option, notamment avec le cas énigmatique du LK-99 (une forme d’apatite de plomb substituée au cuivre – CSLA), un nouveau type de supraconducteur à pression ambiante et à température ambiante. L’affirmation a été immédiatement contestée et critiquée comme une escroquerie ou une erreur de mesure, mais d’autres chercheurs ont alors découvert qu’il pourrait y avoir quelque chose de réel.

Quoi qu’il en soit, le cas du LK-99 illustre que nous sommes loin de tout savoir sur ce qui rend la supraconductivité possible.

Récemment, le bilayer tordu de WSe₂ (tungstène séléniure) est également apparu comme un bon candidat matériel.

Des chercheurs de l’Université de Houston, de l’Université de Buffalo, de l’Université de l’Illinois, de la National Sun Yet‑Sen University (Taïwan) et d’Intellectual Venture élargissent le domaine des matériaux supraconducteurs possibles, éliminant le besoin de haute pression sauf pendant la fabrication du matériau.

Ils ont publié leurs résultats¹ dans les Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), sous le titre “Creation, stabilization, and investigation at ambient pressure of pressure-induced superconductivity in Bi0.5Sb1.5Te3”.

Supraconductivité & Pression

Le lien entre haute pression et supraconductivité est étudié depuis plus de 30 ans, depuis leur découverte initiale en 1993. Ce qui se passe, c’est que la pression modifie le comportement atomique du matériau, ce qui affecte à son tour ses propriétés électriques.

“En 2001, des scientifiques ont suspecté que l’application d’une haute pression à BST modifiait la topologie de sa surface de Fermi, conduisant à une amélioration des performances thermoélectriques.

Cette connexion entre pression, topologie et supraconductivité a suscité notre intérêt.”

Pr. Liangzi Deng – Chercheur à l’Université de Houston

Pr. Deng (à gauche) et Pr. Chu (à droite) – Source: University of Houston

Le problème est que, pour qu’un matériau soit utile aux applications industrielles, il doit généralement afficher des propriétés intéressantes lorsqu’il est dans un état métastable, afin de conserver ces propriétés dans des conditions « normales ».

Jusqu’à présent, l’exigence d’une très haute pression a non seulement freiné l’étude des matériaux supraconducteurs dans ces conditions, mais a également rendu très difficile toute application pratique future, car il serait impossible de maintenir un câble, un aimant ou un composant ferroviaire sous de telles pressions extrêmes, sans parler des exigences de conditions ultra-froides pour les supraconducteurs actuellement utilisés.

Quenching à haute pression

Maintenir les propriétés de supraconductivité à pression normale est ce que les chercheurs viennent d’accomplir.

Pour ce faire, ils ont utilisé un matériau semi-conducteur spécial appelé BST (Bismuth-Antimony-Tellurium / Bi_0.5Sb₁.5Te₃). Sous des pressions allant jusqu’à ~50 GPa (gigapascal), soit 500 000 fois la pression atmosphérique (1 bar), le BST présente trois phases supraconductrices (BST‑I, ‑II et ‑III), la première apparaissant à 4 GPa.

Les chercheurs ont développé une procédure appelée protocole de quenching sous pression (PQP), permettant à la phase induite par la pression de persister à pression ambiante.

Non seulement la phase supraconductrice BST‑I a été préservée, mais aussi les phases BST‑II et ‑III.

Ils ont utilisé une enclume en diamant pour atteindre la pression extrême requise.

Source: University of Houston

Les propriétés électriques et magnétiques ont été analysées à l’aide d’un instrument très sensible appelé Magnetization Property Measurement System (MPMS)

Source: University of Houston

Amélioration de la température de fonctionnement

Lors des tests, ces phases supraconductrices n’étaient pas seulement initialement stables à pression ambiante, mais ont également conservé ces états au fil du temps et lorsqu’exposées à des températures plus élevées.

Cela ne signifie toutefois pas qu’il s’agit d’un supraconducteur à température ambiante, seulement que les phases sont stables à pression normale et capables d’afficher une véritable supraconductivité lorsqu’elles sont refroidies.

On sait que le BST présente une supraconductivité à 10,2 K (‑262,9 °C / ‑441,3 °F). Les chercheurs ont constaté que la dépressurisation et le protocole de quenching sous pression amélioraient tous deux la température de transition du BST, en faisant une bonne option pour améliorer les matériaux supraconducteurs existants.

“Cette expérience démontre clairement qu’il est possible de stabiliser la phase induite par haute pression à pression ambiante via une transition électronique subtile sans changement de symétrie, offrant une nouvelle voie pour conserver les phases matérielles d’intérêt et les valeurs qui n’existent habituellement qu’à haute pression.

Pr. Paul Chu – Chercheur à l’Université de Houston

Applications futures

Bien que cela ne crée pas immédiatement de matériau supraconducteur, cela ouvre la voie à une nouvelle méthode pour découvrir et concevoir des matériaux supraconducteurs.

Jusqu’à présent, la supraconductivité à haute pression avait très peu d’applications pratiques, et un supraconducteur à température ambiante devait afficher cette caractéristique indépendamment de l’effet de la pression.

Si le protocole de quenching sous pression peut être généralisé, cela pourrait aider à stabiliser en conditions normales des matériaux supraconducteurs prometteurs, mais qui jusqu’à présent ne fonctionnaient qu’à haute pression.

“Il est intéressant de noter que cette expérience a révélé une approche novatrice pour découvrir de nouveaux états de la matière qui n’existent pas à pression ambiante à l’origine, ni même sous des conditions de haute pression.

Elle démontre que le PQP est un outil puissant pour explorer et créer des régions inexplorées des diagrammes de phase des matériaux.

Pr. Liangzi Deng – Chercheur à l’Université de Houston

Cela pourrait également améliorer les supraconducteurs connus afin d’augmenter leur température de transition.

Cela pourrait ouvrir la voie à des états successifs, rendant possible la création d’un supraconducteur fonctionnant à « seulement » 78 K (‑195 °C / ‑319 °F), soit le point d’ébullition de l’azote liquide, un fluide frigorigène beaucoup plus facile à manipuler que l’hélium liquide, qui est par exemple actuellement utilisé dans les aimants supraconducteurs d’ITER.

Entreprise de supraconductivité

AMSC est une entreprise qui fournit des solutions énergétiques pour le réseau électrique, les navires et l’énergie éolienne. En général, plus un système consomme d’énergie ou est massif, plus il nécessite une technologie supraconductrice pour éviter la surchauffe.

Malgré son nom, ASMC fournit non seulement des systèmes supraconducteurs mais aussi, par exemple, des transmissions d’engrenages pour les éoliennes.

L’entreprise bénéficie de plusieurs moteurs de croissance, allant de la tendance à l’électrification et à la numérisation (y compris les centres de données IA), mais aussi du rapatriement des capacités de fabrication américaines et du besoin pour les marines du monde anglophone de se moderniser en réponse aux risques géopolitiques croissants.

Source: American Superconductor Corporation

Dans le segment de l’alimentation électrique, AMSC a constaté une hausse constante des commandes. Cela a été stimulé par les usines de semi-conducteurs cherchant à être protégées des fluctuations du réseau, à aider le réseau à gérer la nature intermittente des énergies renouvelables, ainsi que par l’alimentation et les contrôles sur les sites industriels.

Source: American Superconductor Corporation

Dans le segment des éoliennes, AMSC est principalement actif avec le Electrical Control System (ECS). Historiquement, l’ESC était un segment fort pour l’entreprise avec les éoliennes de 2 MW, mais il a progressivement décliné. AMSC vise un rebond grâce au nouveau design d’éolienne de 3 MW, avec un accent particulier sur le marché indien.

Source: American Superconductor Corporation

Pour les navires militaires, ASMC fournit le « High Temperature Superconductor Magnetic Mine Countermeasure » d’AMSC, un système destiné à modifier la signature magnétique des navires afin de les protéger des mines marines. Ce système est vendu aux marines des États‑Unis, du Canada et du Royaume‑Uni, avec jusqu’à présent 75 M$ de commandes.

Dans l’ensemble, ASMC excelle en tirant parti de la technologie supraconductrice dans des applications de niche viables aujourd’hui, tout en étant probablement prête à déployer d’autres avancées à l’avenir. Les investisseurs doivent également noter que l’action a connu une volatilité extrême par le passé, et calculer les risques en conséquence.

Référence de l’étude:

^{1.Deng, B. et al, (2025) Creation, stabilization, and investigation at ambient pressure of pressure-induced superconductivity in Bi0.5Sb1.5Te3. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (6) e2423102122, https://doi.org/10.1073/pnas.2423102122}