Superconductivité dans le bilayer tordu de WSe₂: Un nouveau rival du graphène ?

Un nouveau matériau supraconducteur

Superconductivité est un phénomène qui, s’il était maîtrisé à grande échelle et à faible coût, révolutionnerait la civilisation humaine. En effet, pour la plupart des applications de haute technologie, les niveaux de puissance ou de champ magnétique requis ne peuvent être gérés que par des matériaux supraconducteurs, toute résistance électrique entraînant une surchauffe excessive.

Un problème de longue date est que presque tous les matériaux supraconducteurs connus ne sont disponibles qu’à des températures extrêmement basses, souvent autour de 4 K (seulement 4 degrés au-dessus du zéro absolu).

Cela rend la supraconductivité viable uniquement lorsqu’elle est associée à l’hélium liquide, un fluide de refroidissement très difficile à produire en raison d’un processus très énergivore.

Pendant longtemps, le graphène, une monocouche 2D de carbone, a été considéré comme un bon candidat pour une supraconductivité plus pratique.

Cependant, il semble que ce qui rend le graphène prometteur pourrait être étendu à d’autres matériaux comme le tungstène, ouvrant la recherche d’un nouveau matériau supraconducteur. Cette découverte résulte du travail de chercheurs de l’Université Columbia, de l’Université du Tennessee et du National Institute for Materials Science (Japon). Ils ont publié leurs résultats dans la prestigieuse revue Nature¹ sous le titre « Superconductivity in 5.0° twisted bilayer WSe2 ».

Les promesses de la supraconductivité

Des matériaux supraconducteurs moins chers et fonctionnant à des températures plus élevées transformeraient complètement les applications possibles de la technologie. Cela permettrait d’utiliser des méthodes de refroidissement comme l’azote liquide, voire la technologie de refroidissement employée dans les congélateurs stockant les vaccins à ARNm, pour remplacer l’alternative plus énergivore.

Parmi les choses que les supraconducteurs à haute température rendraient possibles, on peut citer :

• IRM améliorée, avec une résolution supérieure et moins coûteuse à construire et à exploiter, permettrait qu’elle devienne un examen médical beaucoup plus courant.
• Systèmes de propulsion à poussée électromagnétique (également appelés propulsions magnétohydrodynamiques (MHD)) propulsent les navires en électrifiant l’eau de mer.
• Moteurs électriques plus puissants et plus efficaces.
• Batteries à plus haute densité et plus sûres avec stockage d’énergie magnétique supraconducteur (SMES).
• Limiteurs, interrupteurs et fusibles supraconducteurs pour améliorer l’infrastructure du réseau électrique.
• Transmission d’énergie à longue distance sans pertes, ce qui pourrait augmenter l’efficacité des énergies renouvelables, par exemple, avec des panneaux solaires toujours exposés au soleil alimentant une ville à des milliers de kilomètres.
• Trains maglev moins chers et plus faciles à entretenir, ou plus tard les systèmes Hyperloop.
• Capteurs/magnétomètres (dispositifs d’interférence quantique supraconducteurs – SQUIDS) pour des applications industrielles.
• Informatique quantique supraconductrice
  • (vous pouvez en savoir plus sur les progrès de l’informatique quantique dans notre article « L’état actuel de l’informatique quantique »).
• Applications de défense et aérospatiales, incluant les boucliers contre les radiations, les lancements électromagnétiques, les roulements magnétiques, les capteurs, les canons à rail, les canons à bobine, les lasers et d’autres armes à énergie.

Il existe une possibilité que la supraconductivité à haute température puisse être obtenue avec de l’apatite de plomb substituée au cuivre (CSLA), mais cette affirmation fait encore l’objet de vifs débats parmi les scientifiques spécialisés dans ce domaine, quelques années plus tard.

Supraconductivité du graphène

Alors que le graphène est un conducteur d’électricité remarquablement efficace lorsqu’il est sous forme d’une simple couche, il peut devenir supraconducteur lorsqu’il est façonné en « bilayer tordu ». Cela se produit lorsque les deux couches sont légèrement désalignées, avec une différence de 1,1°, apparemment l’angle magique pour le graphène.

En novembre 2024, il a été démontré mathématiquement qu’un tel bilayer pouvait rester supraconducteur à des températures aussi élevées que 60°K (-213 °C / -351 °F).

Depuis 2020, un autre matériau est suspecté d’afficher une caractéristique similaire : le tungstène-sélénium (WSe₂).

Source: Max Planck Institute

Supraconductivité du tungstène-sélénium

Jusqu’à présent, des phénomènes corrélés à la supraconductivité avaient été détectés dans de nombreux matériaux appartenant à la classe dite des dichalcogénures de métaux de transition (TMD).

Cependant, la nouvelle recherche confirme définitivement la supraconductivité dans le bilayer tordu de WSe2 à 5,0° (angle de différence entre les couches, pas de température).

Cela a été particulièrement fort à basse température dans cette expérience (426 millikelvins), mais cela démontre néanmoins que la supraconductivité en bilayer peut être réalisée par d’autres matériaux en couches que le graphène.

Le bilayer tordu de WSe2 a également montré une frontière nette entre les phases supraconductrice et magnétique à basse température, ce qui pourrait expliquer les mécanismes sous-jacents de sa supraconductivité.

Meilleur que le graphène ?

Si les matériaux TMD peuvent être supraconducteurs, ils pourraient en fait être supérieurs au graphène.

La raison est que les matériaux TMD affichent également de nombreuses autres qualités souhaitables qui sont absentes du graphène, telles qu’une bande interdite native, un fort couplage spin-orbite, un verrouillage spin-valley et le magnétisme.

À cet égard, cela ressemble à un autre type de métamatériaux avancés, les matériaux kagome, qui affichent également la supraconductivité conjointement avec le magnétisme, alors que ces deux phénomènes ne se produisent généralement pas simultanément.

Dans l’ensemble, il semble que le domaine de la supraconductivité progresse très rapidement et remet en cause les hypothèses antérieures de la discipline sur ce qui est possible ou non.

Entreprise du tungstène

Si les bilayers de tungstène s’avèrent supraconducteurs, cela constituerait un cas d’utilisation supplémentaire important pour ce métal ultra-dur, déjà utilisé dans de nombreuses applications militaires, l’industrie des semi-conducteurs et la fabrication avancée.

Nous avons détaillé le cas d’investissement pour le tungstène dans le rapport d’octobre 2024 « Tungstène – Le métal high-tech secret ».

Depuis, la Chine a annoncé des restrictions sur l’exportation du tungstène, un métal dont 80 % est produit par la Chine. Cela laisse très peu d’entreprises capables d’approvisionner les industries occidentales, indépendamment de la chaîne d’approvisionnement chinoise.

Almonty Industries

Almonty est un mineur de tungstène qui produit actuellement principalement à partir d’une mine au Portugal, en activité depuis 125 ans.

L’entreprise travaille à l’expansion de la mine portugaise et possède des gisements non exploités en Espagne.

Source: Almonty

Le projet le plus important de l’entreprise est le développement en cours d’une nouvelle mine à Sangdong, en Corée du Sud. La mine contient plus de ressources inférées que toutes ses autres réserves combinées.

Source: Almonty

En tant que l’un des rares mineurs de tungstène actifs et producteurs dans les pays occidentaux, Almonty est un fournisseur stratégique clé pour l’industrie de la défense. C’est donc une entreprise importante pour réduire la dépendance à l’approvisionnement chinois.

L’emplacement de la mine de Sangdong en fait un fournisseur idéal pour l’industrie de la défense, la Corée du Sud étant un nouveau géant de la production de masse d’équipements militaires « low tech » tels que les chars, l’artillerie et les munitions (comparé aux avions de chasse, porte-avions, etc., qui demandent moins de tungstène).

Alors que la Chine se prépare à ouvrir une immense mine de tungstène au Kazakhstan, Almonty est prête à « modifier substantiellement la politique liée à la sécurisation du tungstène » lorsque la mine Sangdong du projet Almonty Korea Tungsten sera mise en service d’ici quelques mois. Lorsqu’elle débutera sa production, elle sera l’une des plus grandes mines de tungstène au monde, représentant 30 % de l’offre non chinoise.

Lewis Black, director, president, and CEO of Almonty Industries (ALM )

Almonty devrait commencer à produire du tungstène à partir de la mine coréenne au début ou milieu 2025.

En raison de sa position stratégique en tant que principal fournisseur occidental, Almonty s’est vu offrir un prix garanti par Plansee. Plansee est un fabricant de métaux haute performance et l’un des plus grands clients d’Almonty, ainsi que propriétaire de 15 % de l’entreprise.

Le prix minimum garanti était de 235 $/MTU (unité métrique de tonne), sans plafond supérieur. Comme la mine de Sangdong vise des coûts de trésorerie de 110 $/MTU, cela devrait pratiquement garantir une marge bénéficiaire élevée pour le projet.

Avec un timing presque parfait entre l’ouverture imminente de Sangdong et une nouvelle guerre commerciale entre l’Amérique de Trump et la Chine, le cours de l’action a fortement réagi, augmentant de 40 % en seulement 2 jours après l’annonce de la restriction d’exportation du tungstène par la Chine.

Référence de l’étude:

^{1. Guo, Y., Pack, J., Swann, J. et al. (2025) Supraconductivité dans le bilayer tordu de WSe2 à 5,0°. Nature 637, 839–845. https://doi.org/10.1038/s41586-024-08381-1}