Les céramiques supraconductrices se comportent-elles comme des métaux ou des isolants? Cette question tourmente bien des physiciens depuis la découverte de ces matériaux très spéciaux qui conduisent l'électricité sans résistance. Mais des chercheurs de l'Université de Sherbrooke (CAnada) semblent enfin avoir élucidé le mystère. À environ -150 ºC, les électrons au sein de certaines céramiques adoptent des comportements étranges: ils se mettent à voyager par paires et conduisent l'électricité sans la moindre perte. À des températures plus clémentes, les électrons se séparent de leurs conjoints et les matériaux redeviennent de très mauvais conducteurs électriques, un peu comme la faïence.
     Les céramiques étudiées par le professeur Louis Taillefer, de l'Université de Sherbrooke, et ses collaborateurs possèdent cette propriété très recherchée. Elles sont constituées de cristaux d'une grande pureté faits d'un mélange complexe d'yttrium, de baryum, de cuivre et d'oxygène (YBaCuO, dans le jargon). Afin de sonder leur nature profonde, les chercheurs les ont soumises à des champs magnétiques extrêmement puissants au Laboratoire national de champs magnétiques pulsés de Toulouse, en France.
     Après cinq ans d'efforts, ils ont enfin pu enregistrer dans les céramiques de minuscules fluctuations – appelées oscillations quantiques – dans la résistance qu'ils opposent au passage du courant. «Ces oscillations sont la signature la plus claire du comportement des électrons dans un métal», explique Louis Taillefer. Et voilà une partie de l'énigme enfin résolue: les céramiques supraconductrices se comportent comme des métaux.
     La nouvelle a voyagé dans le milieu scientifique avec autant de facilité que les électrons dans un supraconducteur. Deux semaines après la soumission du manuscrit à la revue Nature, il était accepté.
     Et la découverte a d'autres implications. L'état supraconducteur constitue une phase de la matière qui dépend de la température, un peu comme la glace et l'eau. Mais en sondant les YBaCuO, l'équipe a identifié une toute nouvelle phase de la matière située entre l'état supraconducteur très froid et l'état de «mauvais conducteur» à plus haute température. Une marge thermodynamique étroite dans laquelle des dizaines de chercheurs vont bientôt se précipiter afin de faire progresser cette science. «On creusait dans une mine de charbon et on vient de trouver une veine d'or, dit Louis Taillefer. On va maintenant commencer à exploiter le filon.»
     Grâce aux oscillations quantiques, le chercheur espère apprendre comment fabriquer de meilleurs matériaux supraconducteurs et, qui sait, accomplir un jour le grand œuvre de cette discipline: créer des supraconducteurs qui fonctionnent à température de la pièce. Des lignes à haute tension sans aucune perte de courant aux ordinateurs quantiques, en passant par les trains à lévitation magnétique, les applications de la supraconductivité se compteront alors par centaines.
Le dompteur d'électrons fous
     Le 27 février 2007, Louis Taillefer a entendu le chant des électrons! Cette découverte, la plus importante de ce physicien qui détient déjà la Bourse Steacie, la Médaille Herzberg et le Prix Marie-Victorin, a fait l'objet de deux publications dans la revue Nature, cette année. Depuis, il en a perdu le sommeil. Nuit et jour, il cherche à percer le mystère de la supraconductivité.

Québec Science: Que s'est-il passé le 27 février 2007?
Louis Taillefer: Depuis la découverte des supraconducteurs, il y a eu beaucoup de spéculation sur leur nature profonde. Isolants ou métaux? Nos observations ont permis de trancher. Maintenant, on sait que les supraconducteurs se comportent comme des métaux. On a aussi découvert des choses très surprenantes. Par exemple, que la densité des électrons y est 10 fois plus faible que ce qu'on soupçonnait. Tout cela ouvre la porte à une meilleure compréhension du comportement des électrons.
     Pour expliquer ce que tout cela va changer, j'aime faire une analogie avec les transistors et les semi-conducteurs que les physiciens étudiaient au début du XXe siècle. En 1947, la compréhension que l'on avait du comportement des électrons dans un semi-conducteur était assez fine pour concevoir le transistor, qui est en fait un sandwich de semi-conducteurs. Ce fut le début d'une véritable révolution technologique qui nous a menés jusqu'à la mise au point du moteur de recherche Google!
     Notre connaissance actuelle des nouveaux supraconducteurs à «haute température» équivaut à ce qu'on savait des semi-conducteurs avant les années 1940. On comprend mal le comportement des électrons dans ces matériaux et pourquoi ces derniers sont supraconducteurs jusqu'à -150°C.

QS Bien malin qui saurait dire si on pourra un jour conserver les propriétés des supraconducteurs à température ambiante.
LT Depuis notre observation des oscillations quantiques, au printemps 2007, les choses sont allées très vite; le brouillard des 20 dernières années se dissipe enfin! J'estime que, d'ici un an, on devrait avoir fait toute la lumière ou presque sur le comportement des électrons dans ces matériaux. Ensuite, il faudra découvrir quel paramètre ajuster pour atteindre la température ambiante. Si on réussit, la révolution technologique sera aussi importante que celle qui a suivi le développement du transistor.

QS Et si on rêvait à ce qu'on pourra peut-être un jour accomplir avec toute cette puissance?
LT Notre imagination est beaucoup trop limitée pour prédire ce qui arrivera si on peut atteindre la supraconductivité à température ambiante. Parmi les avantages qu'on cite souvent, il y a le transport de l'électricité sans perte d'énergie ou les trains à lévitation magnétique, ou l'ordinateur quantique; mais c'est beaucoup plus que cela. La supraconductivité peut nous mener à la téléportation ou à la simultanéité à distance! On pourra amener le monde quantique à l'échelle humaine. Pour le moment, on cherche encore à comprendre, mais nous allons bientôt trouver la clé. Je le sens!

CAMBRIDGE, Mass.--MIT physicists have taken a step toward understanding the puzzling nature of high-temperature superconductors, materials that conduct electricity with no resistance at temperatures well above absolute zero.
     If superconductors could be made to work at temperatures as high as room temperature, they could have potentially limitless applications. But first, scientists need to learn much more about how such materials work.
     Using a new method, the MIT team made a surprising discovery that may overturn theories about the state of matter in which superconducting materials exist just before they start to superconduct. The findings are reported in the February issue of Nature Physics.
     Understanding high-temperature superconductors is one of the biggest challenges in physics today, according to Eric Hudson, MIT assistant professor of physics and senior author of the paper.
     Most superconductors only superconduct at temperatures near absolute zero, but about 20 years ago, it was discovered that some ceramics can superconduct at higher temperatures (but usually still below 100°K, or -173°C).
     Such high-temperature superconductors are now beginning to be used for many applications, including cell-phone base stations and a demo magnetic-levitation train. But their potential applications could be much broader.
     "If you could make superconductors work at room temperature, then the applications are endless," said Hudson.
     Superconductors are superior to ordinary metal conductors such as copper because current doesn't lose energy as wasteful heat as it flows through them, thus allowing larger current densities. Once a current is set in motion in a closed loop of superconducting material, it will flow forever.
     In the Nature Physics study, the MIT researchers looked at a state of matter that superconductors inhabit just above the temperature at which they start to superconduct.
     When a material is in a superconducting state, all electrons are at the same energy level. The range of surrounding, unavailable electron energy levels is called the superconducting gap. It is a critical component of superconduction, because it prevents electrons from scattering, thus eliminating resistance and allowing the unimpeded flow of current.
     Just above the transition temperature when a material starts to superconduct, it exists in a state called the pseudogap. This state of matter is not at all well understood, said Hudson.
     The researchers decided to investigate the nature of the pseudogap state by studying the properties of electron states that were believed to be defined by the characteristics of superconductors: the states surrounding impurities in the material.
It had already been shown that natural impurities in a superconducting material, such as a missing or replaced atom, allow electrons to reach energy levels that are normally within the superconducting gap, so they can scatter. This can be observed using scanning tunneling microscopy (STM).
     The new MIT study shows that scattering by impurities occurs when a material is in the pseudogap state as well as the superconducting state. That finding challenges the theory that the pseudogap is only a precursor state to the superconductive state, and offers evidence that the two states may coexist.
     This method of comparing the pseudogap and superconducting state using STM could help physicists understand why certain materials are able to superconduct at such relatively high temperatures, said Hudson.
     "Trying to understand what the pseudogap state is is a major outstanding question," he said.