LK-99 : l’annonce de supraconductivité de 2023 et ses implications pour l’informatique

La technologie progresse généralement par étapes, mais certaines annonces pourraient, si elles étaient confirmées, représenter une avancée majeure. En juillet 2023, une équipe sud-coréenne a présenté son affirmation concernant le LK-99, décrit comme un possible supraconducteur à température et pression ambiantes. Les expériences indépendantes ultérieures n’ont pas confirmé cette propriété. Nous revenons ici sur cette annonce historique et sur l’importance qu’aurait un matériau possédant réellement ces caractéristiques.

En 2023, les chercheurs affirmaient avoir synthétisé, à partir de substances relativement courantes, un matériau supraconducteur dans les deux conditions suivantes :

• pression ambiante
• température ambiante

Le LK-99 était un matériau à base d’apatite de plomb modifiée avec du cuivre. Dans leur prépublication, les auteurs avançaient l’affirmation suivante, que les expériences indépendantes n’ont pas confirmée par la suite :

Selon l’équipe, une méthode chimique avait permis de synthétiser le premier supraconducteur à température et pression ambiantes, qu’elle avait nommé LK-99.

Nous expliquons ci-dessous les principes de la supraconductivité et ses applications possibles. Ces dernières concernent de véritables supraconducteurs, et non une percée démontrée du LK-99.

Que sont les supraconducteurs ?

Un supraconducteur est un matériau dont la résistance électrique disparaît dans l’état supraconducteur, à l’intérieur de certaines limites de température, de champ magnétique et de courant. Dans ces conditions, le courant continu peut le traverser sans pertes résistives. Cela ne rend pas tout le système exempt de pertes : refroidissement, connexions et courants alternatifs peuvent encore consommer de l’énergie ou provoquer une dissipation. Une autre propriété fondamentale est l’expulsion du champ magnétique de l’intérieur du matériau, appelée effet Meissner.

La supraconductivité est un phénomène quantique qui apparaît sous une température critique. De nombreux matériaux exigent des températures très basses. Les supraconducteurs à haute température fonctionnent à des températures plus élevées que les matériaux conventionnels, mais cela ne signifie pas température ambiante. Le zéro absolu correspond à −273,15 °C, soit −459,67 °F.

Les bobines supraconductrices peuvent produire des champs magnétiques intenses, utiles notamment dans les appareils d’IRM et certains trains à lévitation magnétique. Tous les systèmes maglev n’utilisent toutefois pas de supraconducteurs.

La chaîne YouTube Techquickie explique bien cela dans un épisode passé de « Fast as Possible ».

Les supraconducteurs se répartissent en deux grandes catégories selon leur réponse au champ magnétique :

1. Supraconducteurs de type I : Ils expulsent le champ magnétique jusqu’à une valeur critique, au-delà de laquelle la supraconductivité disparaît. L’aluminium, le mercure et le plomb en sont des exemples.
2. Supraconducteurs de type II : Ils permettent au flux magnétique de pénétrer sous forme de vortex entre deux champs critiques, tout en conservant des propriétés supraconductrices. Beaucoup conviennent aux champs élevés. Le niobium-étain (Nb3Sn) et le matériau céramique oxyde d’yttrium-baryum-cuivre (YBCO) en sont des exemples.

La distinction entre types I et II ne correspond pas à celle entre basse et haute température critique. Le Nb3Sn est par exemple un supraconducteur de type II à basse température, tandis que le YBCO est de type II à haute température. Même les matériaux à haute température nécessitent un refroidissement, mais ils sont déjà employés dans certaines applications pratiques.

Pourquoi un supraconducteur à température et pression ambiantes serait-il important ?

Un matériau réellement supraconducteur dans ces conditions pourrait avoir des effets importants, à condition de présenter aussi une capacité de transport du courant, une tolérance au champ magnétique, une durabilité et une fabrication adaptées. Voici des applications possibles.

1. Transmission d’énergie : Des conducteurs supraconducteurs pourraient réduire les pertes résistives et les besoins de refroidissement. L’ensemble du réseau électrique ne deviendrait pas pour autant totalement exempt de pertes.
2. Trains à lévitation magnétique (Maglev) : Un matériau à température ambiante pourrait simplifier les systèmes maglev utilisant des aimants supraconducteurs. La lévitation réduit le contact mécanique, mais ne supprime ni la résistance de l’air ni toute consommation d’énergie.
3. Technologie médicale : Dans les appareils d’IRM à aimants supraconducteurs, une réduction des besoins de refroidissement pourrait simplifier l’exploitation et la maintenance.
4. Calcul quantique : Les supraconducteurs sont essentiels aux ordinateurs quantiques à qubits supraconducteurs, comme ceux d’IBM et de Google. Un matériau à température ambiante pourrait ouvrir de nouvelles possibilités de conception, sans supprimer automatiquement le refroidissement des processeurs : les très basses températures réduisent aussi le bruit thermique et contribuent à préserver les états quantiques.
5. Stockage d’énergie : Les systèmes SMES stockent de l’énergie dans le champ magnétique d’une bobine supraconductrice. Réduire le refroidissement pourrait les rendre plus pratiques, sans rendre le système complet totalement exempt de pertes.
6. Recherche scientifique : De nombreux instruments et expériences scientifiques (par exemple, ceux en physique des particules) pourraient être rendus plus efficaces et plus faciles à exploiter avec des supraconducteurs à température ambiante.

De nombreux équipements pourraient bénéficier d’un matériau adapté et utilisable en pratique. La supraconductivité ne supprime toutefois pas à elle seule toutes les formes de frottement mécanique et n’améliore pas automatiquement chaque appareil électrique.
L’importance scientifique et technique d’une telle découverte serait considérable, mais dépendrait de preuves solides et d’applications viables, pas seulement d’une annonce spectaculaire.

Applications possibles et affirmation initiale sur le LK-99

L’équipe du LK-99 envisageait de nombreuses applications en 2023. Le texte suivant résume son point de vue de l’époque ; il ne s’agit pas d’une conclusion vérifiée indépendamment.

Les auteurs estimaient que le matériau pourrait aider à comprendre la supraconductivité à température ambiante et servir dans des aimants, moteurs, câbles, trains à lévitation, systèmes de transport d’électricité, qubits et antennes térahertz. Ils voyaient dans cette prétendue découverte un possible événement historique. Les expériences indépendantes n’ont cependant pas confirmé que le LK-99 était supraconducteur à température ambiante.

Un véritable supraconducteur à température et pression ambiantes pourrait intéresser de nombreux secteurs. L’informatique serait une application possible, mais ses avantages ne pourraient être déduits de la seule supraconductivité.
Le minage de Bitcoin, les smartphones et les centres de données pourraient bénéficier de composants plus petits, efficaces ou rapides. Des solutions supraconductrices pourraient réduire certaines pertes et la production de chaleur. Les effets sur la latence, la vitesse de calcul et l’encombrement dépendraient toutefois de l’architecture complète ; l’annonce concernant le LK-99 ne démontrait pas ces gains.

La vérification indépendante du LK-99

Si la propriété annoncée avait été confirmée, les conséquences auraient pu être importantes. Lors de la publication, il manquait cependant une confirmation indépendante et le texte sur arXiv était une prépublication.
Une affirmation aussi extraordinaire exigeait des preuves solides et des résultats reproductibles dans des expériences contrôlées. L’évaluation par les pairs et la réplication indépendante sont différentes : les évaluateurs examinent une étude, mais n’en répètent généralement pas toutes les expériences. L’évaluation contribue aux aspects suivants.

1. Contrôle de qualité : La fonction la plus immédiate de l’évaluation par les pairs est d’assurer la qualité des articles publiés dans les revues scientifiques.  Les évaluateurs examinent de façon critique la méthodologie d’une étude, les statistiques et la présentation des résultats afin de garantir que les conclusions sont étayées par les données.
2. Évaluation des méthodes et des conclusions : Les évaluateurs examinent si les méthodes sont adaptées et correctement appliquées, et si les données et leur interprétation soutiennent les conclusions. Cela ne constitue pas une réplication expérimentale indépendante et ne garantit pas l’exactitude des résultats.
3. Pratiques non éthiques : L’évaluation peut révéler du plagiat, des incohérences ou des indices de pratiques abusives. Elle ne garantit toutefois pas la détection de toutes les falsifications ou fraudes.
4. Normalisation : En imposant des conventions et attentes scientifiques standard, l’évaluation par les pairs favorise la cohérence et l’unité au sein d’un domaine scientifique.
5. Crédibilité : L’évaluation par les pairs ajoute de la crédibilité à un article de recherche.  D’autres chercheurs, ainsi que le grand public, considèrent souvent les travaux évalués par les pairs comme plus fiables parce qu’ils ont subi ce niveau d’examen.

Ces éléments contribuent à un progrès scientifique vérifiable et fournissent une base pour de nouvelles expériences. L’évaluation par les pairs peut néanmoins manquer des erreurs ou des abus et subir l’influence de biais. Des données ouvertes, des réplications indépendantes et des recherches ultérieures complètent ce processus.

Qu’ont montré les expériences ultérieures ?

La supraconductivité du LK-99 annoncée en 2023 n’a pas été confirmée par des expériences indépendantes. Une étude de synthèse et de caractérisation publiée en août n’a observé aucun signe de supraconductivité. D’autres chercheurs ont trouvé un comportement isolant même dans des échantillons qui se soulevaient partiellement près d’un aimant : la réponse magnétique ne suffisait donc pas comme preuve. Une transition de phase d’impuretés de sulfure de cuivre pouvait aussi expliquer certaines variations rapportées de résistivité et de capacité thermique. Le LK-99 ne doit donc pas être présenté comme un supraconducteur à température ambiante établi. La recherche de véritables matériaux dotés de cette propriété et de leurs applications possibles se poursuit.