Nickélates à double couche : une nouvelle classe de supraconducteurs à haute température

Limitations de la supraconductivité

L’électricité a été l’une des technologies les plus transformatrices de l’histoire, permettant la transmission d’une forme d’énergie très utile sur de longues distances. Mais tout système électrique « normal » rencontre une résistance électrique, ce qui entraîne la génération de chaleur lorsqu’un courant électrique est appliqué.

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 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 les plus prometteurs et de l’innovation technologique, comme ITER et la fusion nucléaire, les propulseurs massifs, les ordinateurs quantiques, etc.

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

Source : XOT Metals

Cependant, la supraconductivité n’a jusqu’à présent été maîtrisée que pour des matériaux qui la présentent à des températures ultra‑basses, à peine quelques degrés au-dessus du zéro absolu. Ou à des pressions extrêmement élevées.

Cela la rend non seulement trop complexe pour toutes les applications sauf les plus exigeantes (maglev, IRM, etc.), mais aussi très coûteuse, la rendant non 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

Il semble maintenant que le matériau produit sous haute pression puisse conserver une partie de sa supraconductivité à pression plus basse, grâce à une méthode expérimentale appelée protocole de détente sous pression (PQP).

Récemment, la double couche torsadée de WSe₂ (tungstène sélénium) s’est avérée être également un bon candidat matériel pour les supraconducteurs à température plus élevée.

Ainsi, après des années de progrès lents, il semble que les physiciens commencent à découvrir de nouvelles façons de créer des matériaux supraconducteurs. Et une nouvelle est désormais ajoutée à la liste, avec une nouvelle famille de supraconducteurs contenant du nickel.

Des chercheurs chinois de la Southern University of Science and Technology à Shenzhen et de l’Université Tsinghua ont découvert que les supraconducteurs à double couche de nickelate conduisent l’électricité sans résistance, bien au‑dessus du zéro absolu et à pression ambiante.¹

Ils ont publié leurs résultats dans la prestigieuse revue scientifique Nature, sous le titre « Début de la supraconductivité à pression ambiante au‑dessus de 40 K dans les films (La,Pr)3Ni2O7 ».

Supraconducteurs pas trop froids

La supraconductivité à haute température pourrait un jour devenir une option, notamment avec le cas énigmatique de LK-99 (une forme d’apatite de plomb substituée au cuivre – CSLA), un nouveau type de supraconducteur à pression ambiante et température ambiante.

La revendication 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 réellement quelque chose.

Mais ce n’est pas la seule classe de supraconducteurs qui pourrait fonctionner à des températures plus élevées.

Il a été récemment découvert que deux groupes de céramiques (les cuprates à base de cuivre et les pnictides à base de fer) fonctionnaient comme des supraconducteurs non conventionnels qui opèrent à pression ambiante et à des températures aussi élevées que 150 K (–123 °C / -189 °F).

Source : Materials Today

À présent, il semble que les nickelates rejoignent ces céramiques pour créer un matériau qui fonctionne comme supraconducteur à des températures plus élevées.

Bien que ce ne soit pas très chaud, il est beaucoup plus facile d’atteindre cette température que avec les supraconducteurs actuels. Par exemple, les aimants supraconducteurs d’ITER devront être refroidis près du zéro absolu avec de l’hélium liquide, une procédure très énergivore et coûteuse.

Dans l’ensemble, cela indique que les supraconducteurs deviendront probablement beaucoup plus courants à moyen terme, de nombreuses nouvelles formes étant découvertes et expérimentées.

Nickélates supraconducteurs

Le nickelate a été découvert comme possédant des propriétés potentielles de supraconductivité en 2019 par Danfeng Li, physicien à la City University of Hong Kong, et son collègue. En 2023, une autre équipe a démontré la supraconductivité des nickelates à des températures plus élevées, mais sous haute pression.

Source : Nature

Mais c’est en décembre 2024 que les nickelates ont été détectés pour la première fois perdant leur résistance à une température critique et expulsant les champs magnétiques, deux fortes indications de supraconductivité.

Pour obtenir ce résultat, des films monocristallins de La2.85Pr0.15Ni2O7 (lanthane‑praséodyme‑nickel) ont été cultivés à l’aide d’une technique appelée épissage atomique couche par couche oxydatif gigantesque (GOALL‑Epitaxy). Cette technique a été développée par la même équipe de chercheurs et offre plusieurs ordres de grandeur d’oxydation plus forte et de précision dans la production de couches de matériau au niveau atomique.

Source : Research Gate

Des méthodes analytiques avancées ont été utilisées pour étudier le composé à base de nickel, incluant des images de microscopie électronique à transmission (STEM) et des cartographies de l’espace réciproque par rayons X (RSM).

Ils ont révélé l’apparition d’une phase tétragonale dans la couche d’oxyde de nickel, qui pourrait être responsable du flux libre d’électrons dans les bonnes conditions.

Amélioration des matériaux supraconducteurs

La méthode utilisée comme test préliminaire pour améliorer les propriétés du nickelate peut être encore perfectionnée. Cela devrait conduire à de multiples essais afin d’augmenter davantage la température de ces supraconducteurs.

“Il y a un immense espoir que nous puissions finalement augmenter la température critique et rendre ces matériaux plus utiles pour les applications.” Danfeng Li – Physicien à la City University of Hong Kong.

L’analyse indique que le processus qui confère la supraconductivité aux nickelates est similaire à celui affectant les cuprates (fabriqués à partir de cuivre).

”Augmenter cela est une priorité. L’équipe essaie diverses astuces pour ajuster la façon dont le matériau est cultivé et sa composition précise.” Zhuoyu Chen – Physicien à SUSTech

Expériences avant la théorie

Il convient de souligner que les résultats récents concernant les supraconducteurs à haute température, voire les supraconducteurs potentiels à température ambiante, devancent la physique théorique dans le domaine.

Ainsi, la raison de leur fonctionnement reste encore un mystère. Il n’existe pas encore d’explication complète sur pourquoi ces matériaux sont supraconducteurs, et encore moins de méthode prédictive pour prévoir quel matériau pourrait présenter ces caractéristiques.

Jusqu’à présent, le besoin de conditions de haute pression ou de froid extrême avait gravement entravé l’étude de ces matériaux, car il était difficile de tester quoi que ce soit lorsque la supraconductivité ne se produit que dans un enclume à diamant ou de l’hélium liquide.

Des conditions plus faciles à maintenir devraient offrir beaucoup plus de marge de manœuvre aux scientifiques pour étudier ces matériaux et les modifier.

Cela laisse donc beaucoup de place à l’amélioration, et une meilleure compréhension de ces matériaux, y compris avec l’aide de l’IA, devrait permettre d’aller plus loin.

Cela devrait également attirer davantage de chercheurs dans le domaine et inciter plus d’entreprises à investir des budgets de R&D dans ces projets, accélérant ainsi le rythme des progrès.

Applications futures

Les supraconducteurs à haute température seraient un matériau miracle immédiat s’ils étaient compris suffisamment pour être fabriqués à grande échelle.

Le premier effet immédiat serait de réduire le coût des équipements déjà utilisant la supraconductivité, comme l’IRM, les trains à sustentation magnétique, les turbines et générateurs avancés, les accélérateurs de particules, les réacteurs de fusion expérimentaux, etc.

Cela rendrait également possible des technologies qui, jusqu’à présent, ne pouvaient jamais être réalisées ou étaient prohibitivement coûteuses en raison des contraintes techniques des supraconducteurs à basse température.

Cela inclut les trains hyperloop, les propulseurs massifs pour atteindre l’orbite, la fusion nucléaire commerciale, les interconnexions de réseaux intercontinentaux, etc. Chacune de ces technologies modifierait à jamais le cours de la civilisation humaine.

Leaders des solutions de supraconductivité

American Superconductor Corporation

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 la 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, 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 de l’anglophonie 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 régulière 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 le contrôle sur les sites industriels.

Source : American Superconductor Corporation

Dans le segment des éoliennes, AMSC est principalement actif avec le système de contrôle électrique (ECS). Historiquement, 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 « Contre-mine magnétique à supraconducteur haute température d’AMSC », un système destiné à modifier la signature magnétique des navires pour les protéger des mines marines. Ce système est vendu aux marines des États‑Unis, du Canada et du Royaume‑Uni, avec 75 M$ de commandes à ce jour.

Dans l’ensemble, ASMC excelle en exploitant 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 extrême volatilité par le passé, et calculer les risques en conséquence.

Dernières nouvelles sur American Superconductor Corporation

Référence de l’étude :

^{1.Zhou, G., Lv, W., Wang, H. et al.(2025) Début de la supraconductivité à pression ambiante au‑dessus de 40 K dans (La,Pr)3Ni2O7 Nature. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08755-z}