Identification de supraconducteurs potentiels à base d’hydrogène
La supraconductivité est un phénomène fascinant qui se produit dans certains matériaux. Lorsqu’ils sont refroidis en dessous d’une certaine température, ces matériaux perdent toute résistance électrique et deviennent de parfaits conducteurs. «Cela en fait des matériaux idéaux pour de nombreuses applications électromagnétiques», explique le coordinateur du projet SuperH Ion Errea(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) de l’Université du Pays basque(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre). «Il s’agit par exemple de moteurs électriques, de générateurs d’énergie, de machines à résonance nucléaire et de capteurs.»
Potentiel des matériaux à base d’hydrogène
L’une des principales difficultés réside dans le fait que cette température critique est généralement extrêmement basse, de l’ordre de quelques kelvins. Cela a limité l’application pratique des supraconducteurs. Le projet SuperH, soutenu par le Conseil européen de la recherche(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), a cherché à relever ce défi en étudiant le potentiel des matériaux à base d’hydrogène. Ces travaux s’appuient sur les prédictions récentes selon lesquelles ces matériaux peuvent être supraconducteurs à des températures plus élevées. «Nous voulions savoir s’il existait, dans la famille des matériaux à base d’hydrogène, des supraconducteurs à haute température fonctionnant à la pression de l’air environnant, de l’air ambiant», explique Ion Errea.
Nouveaux calculs de premiers principes
Pour savoir si la supraconductivité à haute température est possible dans les supraconducteurs à base d’hydrogène à basse pression, voire à la pression ambiante, l’équipe a d’abord entrepris de mieux comprendre quand et pourquoi ces matériaux atteignent des températures critiques élevées. Ensuite, les chercheurs ont voulu développer de nouveaux outils théoriques pour identifier les composés viables et calculer avec précision leurs températures critiques. «Nous avons utilisé des calculs théoriques des premiers principes pour comprendre et caractériser les matériaux à base d’hydrogène et pour prédire de nouveaux supraconducteurs», ajoute Ion Errea. Le calcul des premiers principes consiste à décomposer les problèmes complexes en hypothèses fondamentales, puis à raisonner à partir de ces principes de base. «Cependant, les matériaux contenant de grandes quantités d’hydrogène sont affectés par des fluctuations quantiques. Au début du projet, les méthodes théoriques de premier principe n’étaient pas prêtes à inclure ces effets quantiques, à prédire la stabilité thermodynamique ou à calculer les températures critiques des supraconducteurs.» Ion Errea et son équipe ont donc développé de nouvelles méthodes de premier principe pour relever ce défi. Ces données ont ensuite permis de caractériser les composés et de prévoir de nouveaux supraconducteurs à base d’hydrogène.
Nouvelles possibilités de recherche dans le domaine de la supraconductivité
Ces travaux ont permis de réaliser un certain nombre d’avancées. Par exemple, Ion Errea et son équipe ont pu déduire que les supraconducteurs à base d’hydrogène acquièrent une température critique élevée lorsqu’ils créent des réseaux de liaison avec des électrons localisés. «Cela nous a permis de nous orienter dans la recherche de nouveaux matériaux», explique-t-il. «Nous avons également pu comprendre que les fluctuations quantiques de l’hydrogène sont favorables à la supraconductivité dans ces composés. Elles permettent de stabiliser des composés thermodynamiques et dynamiques à haute température à des pressions beaucoup plus basses que prévu.» Grâce à ces connaissances et aux nouvelles méthodes développées, le projet SuperH a pu prédire un certain nombre de nouveaux matériaux, par exemple le RbPH3. «Selon nos calculs, il peut être synthétisé à une pression de 30 GPa (une très haute pression) et reste stable jusqu’à la pression ambiante avec une température critique d’environ 100 kelvins.» Cela montre que les supraconducteurs à base d’hydrogène à haute température critique peuvent exister à la pression ambiante. Cette recherche ouvre de nouvelles voies dans le vaste domaine de la supraconductivité et de nouveaux espoirs de découvrir de nouveaux supraconducteurs intéressants qui améliorent les supraconducteurs existants. «Le défi consiste désormais à collaborer avec des chercheurs expérimentaux pour les aider à synthétiser nos nouvelles prédictions, par exemple le RbPH3», note Ion Errea. «Entre-temps, nous continuerons à faire d’autres prédictions avec des matériaux similaires.»
