Louis Taillefer

Matériaux supraconducteurs, physique des électrons, cristaux, métaux, céramique

Expert mondial de la supraconduction

"Suivez votre intuition. En ce qui me concerne, cette façon de procéder m’a toujours récompensé."

Louis Taillefer est scientifique de la matière, un physicien qui est spécialisé dans le comportement des électrons au sein de la matière. Lui-même se considère comme un alchimiste des temps modernes — les chimistes médiévaux qui s’efforçaient de transformer les matériaux ordinaires en or et en argent — car ses recherches comprennent la cuisson de matériaux qui n’ont jamais été soumis à ce traitement auparavant. Il utilise des creusets extrêmement puissants dans lesquels les métaux et les céramiques sont fondus par des arcs électriques (identiques à un éclair lors d’un orage), des ondes radio intenses ou des rayons très concentrés de lumière extrêmement chaude. Des éléments de pureté inégalée sont associés de manière nouvelle et précise. Le but ultime : la création d’un supraconducteur, un matériau dans lequel les électrons peuvent se déplacer librement sans rencontrer aucune résistance.

De nombreux matériaux peuvent être supraconducteurs, mais uniquement à une température extrêmement basse. Les scientifiques savent depuis déjà environ une centaine d'année que la supraconductivité peut se rencontrer dans l'aluminium, le plomb, le mercure, l'étain et autres métaux, mais cela ne se produit au-dessous de  -250oC. C’est une température proche du zéro absolu, -273oC (-460oF). Les scientifiques de la matière utilisent l’échelle de température de Kelvin, qui utilise les mêmes unités que celle de Celsius mais place le zéro au niveau du zéro absolu et non pas comme nous l'enregistrons sur les échelles Celsius ou Fahrenheit. Rien ne peut être plus froid que le zéro absolu, et techniquement celui-ci suppose un manque complet d'entropie, une propriété physique de la matière qui est parfois appelée agitation ou désordre thermique — le besoin des atomes de se déplacer. Pour mieux comprendre, utilisez la comparaison suivante : quand l’eau liquide se transforme en glace, elle perd son entropie. Les molécules d’eau qui se déplaçaient dans tous les sens sont maintenant emprisonnées et constituent un cristal solide : elles ne peuvent plus bouger autant. Elles sont aussi beaucoup plus froides. En abaissant la température, l'eau a changé de phase, elle est passée de la phase liquide à la phase solide. C’est le même matériau, mais dans une phase physique différente, dure et solide au lien d’être un liquide fluide.

La même chose se produit avec la supraconductivité, c’est juste un autre changement de phase. Quand certains métaux sont refroidis jusqu’au zéro absolu, aux environs de un à 10oK, ils deviennent des supraconducteurs. Cette température, à laquelle ils changent de phase pour devenir des supraconducteurs, est appelée le point critique. Par exemple, l’aluminium devient supraconducteur à 1.2oK et le mercure à 4.1oK. Plutôt froid !

En 1986, la supraconductivité commence à se réchauffer. Deux physiciens suisses, travaillant aux Laboratoires d’IBM à Zurich, Karl Alexander Müller et J. Georg Bednorz, ont découvert qu’un certain type d’oxyde de cuivre devenait supraconducteur à des températures avoisinant 40oK — ce qui est beaucoup plus chaud que les températures citées précédemment. En une année, différents scientifiques dans le monde entier ont commencé à créer des matériaux similaires et ont permis à la température de la supraconductivité de monter à 93oK. Ces découvertes ont entraîné un orage dans le monde de la science. Müller et Bednorz ont reçu le prix Nobel en 1987 pour leur découverte. Aujourd’hui, le supraconducteur à la température la plus élevée fonctionner à environ 133oK.

Le nitrogène liquide devient supraconducteur à une température de 77oK et il est moins cher que le lait, c’est pourquoi il nous est maintenant très facile de créer un environnement où la supraconductivité marche sans problèmes. Avant cela, les supraconducteurs devaient être refroidis avec de l'hélium loquide, qui coûte à peu près la même chose que le whisky (et donc 30 fois plus que le nitrogène liquide) et ne dure de plus pas très longtemps.

La naissance de ce qu’on appelle les nouveaux supraconducteurs à haute température (hts) ont entraîné l’apparition de nouvelles applications comme les filtres ultra-haute-performance pour fréquence radio, qui sont utilisés dans les stations de base du réseau de téléphonie mobile ou dans les transmissions électriques haute tension. Durant l’été 2001, trois câbles HTS longs de 400 pieds ont été installés à Detroit, dans le Michigan, permettant de délivrer 100 mégawatts de puissance. Les supraconducteurs font aussi leur apparition dans les trains rapides à lévitation magnétique au Japon, en Allemagne et à Singapour. Ces trains sont dépourvus de roues et avancent sur un « coussin » magnétique, sans frottement. Les applications futures des supraconducteurs HTS incluent les ordinateurs ultrarapides capables de fonctionner à des vitesses pétaflopiques, des scanners beaucoup moins chers et plus petits pour l’imagerie médicale, des générateurs électriques extrêmement efficaces et de nouveaux moteurs électriques deux fois plus petits que des moteurs conventionnels.  

L’explication mathématique de la supraconductivité a été réalisée en 1957 et est appelée la théorie BCS, d’après les noms de famille des trois scientifiques américains qui l’ont découverte : John Bardeen, Leon Cooper et Robert Schrieffer. Dans un conducteur normal, les électrons en circulation bousculent les impuretés de cristal qui les ralentissent et causent une résistance électrique. Dans un supraconducteur cela ne se produit pas car les électrons s’apparient et forment un état quantique cohérent, rendant impossible la déviation du mouvement d'une paire sans que les autres soient tous impliqués. Les collisions n'ont donc aucun impact et il n’y a pas de résistance. Mais alors que la théorie BCS permet d’expliquer le comportement des supraconducteurs traditionnels, elle n’explique en revanche pas celle des nouveaux supraconducteurs à haute température. Taillefer pense que le mécanisme est une simple interaction électronique, impliquant peut-être le spin magnétique des électrons.

Son travail démontre la force classique de la technique scientifique. Les scientifiques inventent des théories qui prédisent et expliquent le comportement du monde physique. . Cependant, ils continuent à tester et re-tester ces théories, spécialement dans des conditions extrêmes, afin de voir où elles pèchent. De cette façon ils peuvent découvrir des théories plus nouvelles et meilleures qui révèlent les qualités essentielles de la nature. Les expériences les plus récentes réalisées par Taillefer portent sur une théorie de base expliquant pourquoi les bons conducteurs électriques sont aussi de bons conducteurs de chaleur. Il a montré que sous certaines conditions (froid et pression extrême) un type de supraconducteur oxyde de cuivre semble conduire l’électricité et la chaleur différemment. Les expériences comme celles de Taillefer inspirent la naissance de nouvelles théories améliorées qui permettent de mieux expliquer le monde physique.

 How superconductivity works. Click to enlarge.

1. La supraconductivité est une phase de la matière. Ce graphique montre où les changements de phases se produisent dans les supraconducteurs d'oxyde de cuivre à haute température, selon la température (en Kelvin) et le nombre d’électrons présent dans sa structure cristalline. (Les trous sont les endroits à gauche où les atomes situés dans la matrice de cristal qui l'entoure, et tirent les électrons. Les trous sont comme des électrons, car ils peuvent se déplacer et être porteur de charges dans les conducteurs ou supraconducteurs.) La supraconductivité se produit dans la région en demi-cercle située en dessous, où le matériau présente de 5 à 25 % de trous, et où la température est inférieure à 130K. À de basses concentrations de trous d’électrons, le matériau devient un isolant, tandis qu’à concentration élevée c’est un métal conventionnel — un bon conducteur électrique et de chaleur. De façon surprenante, en changeant la concentration d’électrons de seulement 5 %, le matériau change. Alors qu'il était un isolant parfait (incapable de transporter de l’électricité) le matériel se transforme et devient le plus puissant des supraconducteurs connus (un conducteur d’électricité parfait).

2. Comparaison des trois échelles de température: Kelvin, Celsius et Fahrenheit. Les scientifiques utilise l'échelle Kelvin.

3. Le matériau supraconducteur YBa2Cu3O7, oxyde d’yttrium-barium-cuivre, fait partie de la famille des métaux appelés “Pérovskites.” Ce matériau céramique friable était l'un des premiers supraconducteurs haute température découverts en 1987. La supraconductivité se produit dans les couches d'oxyde de cuivre (les balles rouges tachées) et résultent d'une interaction électronique qui n’est pas entièrement connue mais qui pourrait impliquer la formation de pairs de cuivre. L’Yttrium (la balle noire au centre), le Barium (grand, bleu foncé).

4. Les électrons ont un spin, qui les transforment en de tous petits aimants. Ils sont aussi porteurs d’une charge négative. Comme les charges se repoussent les unes les autres, les électrons eux aussi se repoussent fortement les uns  les autres. Cependant, dans des circonstances particulières, ils peuvent être attirés l’un par l’autre et former ce qu’on appelle des paires de Cooper. Ceci se produit quand la matrice de cristal qui les entoure, faite d'atomes chargés positivement, est déformée localement par le passage d'un électron unique qui à son tour attire un second électron dans sa marche. Pensez-y comme à deux personnes couchées sur un matelas à eau et qui immanquablement roulent l'une vers l'autre. En général, une paire d’électrons de Cooper se “rejoignent” de telle façon que leur spin total est annulé (c'est-à-dire que le spin de l’un pointe vers le haut et l’autre vers le bas, s’annulant l’un l’autre.) En raison de cet effet, une paire de Cooper se comporte comme une particule unique avec zéro spin et une masse de deux fois celle d’un électron normal. Mais les paires de Cooper ne se comportent pas indépendamment l’une de l’autre comme des électrons uniques dans un conducteur métallique normal. Ils forment un état unique quantique cohérent, ce qui signifie qu’au lieu de présenter une attitude hasardeuse, ils se comportent tous de la même façon. De cette façon, la supraconductivité est un phénomène quantique macroscopique.

5. Une fois qu’un courant commence à se déplacer dans un supraconducteur, il peut être mis en circulation dans une boucle circulaire. C’est le point le plus proche dont nous pouvons nous approcher du mouvement perpétuel dans la nature. Des bobines supraconductrices peuvent devenir des électroaimants puissants. Monté sur un train MagLev à Shanghai, avec des aimants conventionnels ou des électroaimants dans les guides latéraux, le train flotte sur des champs magnétiques, en se déplaçant sans aucune friction à l’exception de la résistance de l’air. Un train Maglev de ce type se déplace à 580 à l’heure. Le train montré ici n’utilise aucun supraconducteur haute température. Il fonctionne grâce à des supraconducteurs traditionnels qui requièrent de l’hélium liquide, qui est très cher.

6. Les électrons ont deux caractéristiques principales majeures, la charge et le spin. La charge est responsable du phénomène d'électricité — quand la charge de l’électron s’écoule, un courant électrique est crée. Le spin est responsable du magnétisme — quand l'ensemble de l'électron tourne dans une ligne matérielle dans la même direction, le matériau devient magnétique. Les scientifiques comme Taillefer découvrent les nouvelles propriétés des matériaux en découvrant comment le spin et la charge des électrons se comportent dans de nouveaux matériaux. Une théorie nouvelle suggère que, dans les supraconducteurs à haute température, les électrons pourraient perdre leur intégrité habituelle, et que donc le spin et la charge ne sont plus portés ensemble. Si en effet une semblable séparation de la charge et  du spin se produit, alors les particules fondamentales des matériaux ne sont plus des électrons mais peuvent être considérées comme deux particules plus petites, les “chargeons” et les “spinons.” Dans ses recherches, Louis Taillefer observe des phénomènes inhabituels qui pourraient être causés par une séparation similaire de la charge et du spin.

Alors comme ça vous souhaitez devenir physicien

C’est complètement par hasard que Louis Taillefer est devenu physicien, il a tout simplement accepté une bourse pour étudier l’ingénierie des mines à l’Université McGill. “Si une autre université m’avait donné une récompense pour faire de la biologie, j’aurais été là-bas,” déclare t’il. A McGill il passa vite à la géophysique, mais il aimait tellement la science fondamentale qu’il finit par obtenir un diplôme avec mention en physique pure. Taillefer aime dire aux jeunes gens “Prenez une direction, mais ne vous sentez pas obligés d’y rester coincés. Suivez votre intuition et changez, réajustez-vous pour étudier ce qui vous intéresse. Sentez-vous libres de changer d’études si quelques chose de nouveau vous plaît plus.”

Lors de ses études de troisième cycle, la quête de Taillefer pour une recherche plus intéressante permit de faire ressortir la passion de Gil Lonzarich pour les travaux théoriques sur le magnétisme et ceux-ci  inspirèrent par le suite le jeune Taillefer qui découvrit quelque chose d’essentiel du le monde naturel. Maintenant que Taillefer supervise lui aussi des étudiants de troisième cycle, il trouve que c’est la partie la plus intéressante de son travail de professeur d’université, pour la même raison. Voir des étudiants trouver leur chemin lui donne un sentiment merveilleux ; la seule façon de les aider dans cette démarche est de leur donner une grande liberté. « Le point le plus important à mon avis est que les gens doivent être libre de suivre leur inspiration » dit Taillefer. « Je donne à mes étudiants la possibilité de se développer en tant que scientifiques indépendants mais aussi de suivre leur destin en tant qu’individus. »

Les carrières typiques du monde de la physique incluent des spécialisations dans l’électronique, les communications, l’aérospatiale, la détection à distance, la biophysique, le nucléaire, l’optique, la physique des plasmas ou des états solides, l’astrophysique et la cosmologie. Certains physiciens se concentrent sur l’expérimentation tandis que d’autres préfèrent la théorie.


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MYSTèRE

Est-il possible d’obtenir la supraconductivité à température ambiante? Jusqu'à présent, les scientifiques ont crées dans matériaux qui sont supraconducteurs à 133oK, ce qui est toujours -140oC — vraiment très très froid. Taillefer se demande si nous trouveront jamais un matériau qui soit supraconducteur à température ambiante (293oK). Une autre grande question dans la science des matériaux : qu’est ce qui fait que certains matériaux sont magnétiques et pas d’autres ? Et po9urquoi la chaleur détruit-elle les propriétés matérielles de certains matériaux plus rapidement que d’autres ?

Pour continuer la découverte

Jean Matricon, Georges Waysand (traducteur) et Charles Glashausser, The Cold Wars: A History of Superconductivity, Rutgers University Press, 2003.

Michael Tinkham, Introduction to Superconductivity, second edition, Dover Books, 2004.

Explication du fonctionnement des maglev trains.

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