Science matérielle
Nickelates bicouches : une nouvelle classe de supraconducteurs à haute température
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Limites de la supraconductivité
L’électricité est l’une des technologies les plus transformatrices de l’histoire, permettant la transmission d’une forme d’énergie très utile sur de longues distances. Mais tout système électrique « normal » est confronté à une résistance électrique, qui génère de la chaleur lorsqu’un courant électrique est appliqué.
Il existe une alternative : les matériaux supraconducteurs. Les matériaux supraconducteurs ont une résistance électrique nulle, ce qui permet d'utiliser des courants extrêmement puissants sans générer de chaleur.
Sans la supraconductivité, de nombreuses technologies modernes ne seraient pas possibles, y compris les accélérateurs de particules (par exemple, le CERN), IRM et trains maglev.
La supraconductivité sera un élément crucial des mégaprojets et des innovations technologiques les plus prometteurs, comme ITER et la fusion nucléaire, conducteurs de masse, ordinateurs quantiques, etc.
Les lignes électriques à perte nulle pourraient également s’avérer cruciales pour développer des connexions au réseau ultra-longues, contribuant ainsi à amortir la production d’énergies renouvelables en fonction des conditions météorologiques et des fuseaux horaires, résolvant ainsi certaines des limites de l’énergie solaire et éolienne.
Source: Métaux XOT
Cependant, la supraconductivité n'a été maîtrisée jusqu'à présent que pour des matériaux qui la présentent à des températures ultra-basses, à peine quelques degrés au-dessus du zéro absolu. Ou à des pressions extrêmement élevées.
Cela le rend non seulement trop complexe pour toutes les applications, même les plus exigeantes (maglev, IRM, etc.), mais aussi très coûteux, le rendant non rentable pour de nombreuses applications qui pourraient bénéficier d'un matériau supraconducteur ou de toute utilisation à grande échelle.
De nombreuses voies vers la supraconductivité
Il semble maintenant que le matériau produit sous haute pression pourrait conserver une partie de sa supraconductivité à une pression plus basse, grâce à une méthode expérimentale appelée protocole d'extinction par pression (PQP).
Récemment, la bicouche torsadée de WSe₂ (tungstène sélénium) Il semble également être un bon candidat pour les supraconducteurs à haute température.
Après des années de lents progrès, il semble que les physiciens commencent à découvrir de toutes nouvelles façons de créer des matériaux supraconducteurs. Et une nouvelle famille vient d'être ajoutée à la liste, celle des supraconducteurs contenant du nickel.
Des chercheurs chinois de l'Université des sciences et technologies du Sud de Shenzhen et de l'Université Tsinghua ont découvert que les supraconducteurs en nickelate bicouche conduisent l'électricité sans résistance, bien au-dessus du zéro absolu et à pression ambiante.1
Ils ont publié leurs résultats dans la prestigieuse revue scientifique Nature, sous le titre «Début de la supraconductivité à pression ambiante au-dessus de 40 K dans les films (La,Pr)3Ni2O7 ».
Supraconducteurs pas trop froids
La supraconductivité à haute température pourrait un jour devenir une option, notamment avec le cas déroutant de LK-99 (une forme d’apatite de plomb substituée par du cuivre – CSLA), un nouveau type de supraconducteur à pression ambiante et à température ambiante.
Cette affirmation a été immédiatement contestée et critiquée comme un canular ou une erreur de mesure, mais puis d'autres chercheurs ont découvert qu'il se passait peut-être quelque chose après tout.
Mais ce n’est pas la seule classe de supraconducteurs qui pourrait fonctionner à des températures plus chaudes.
Il a été récemment découvert que deux groupes de céramiques (cuprates à base de cuivre et pnictures à base de fer) fonctionnent comme des supraconducteurs non conventionnels qui fonctionnent à pression ambiante et à des températures pouvant atteindre 150°K (–123°C / -189°F).
Source: Matériaux aujourd'hui
Il semble désormais que les nickelates se lient à ces céramiques pour créer un matériau qui fonctionne comme supraconducteur à des températures plus élevées.
Bien qu'il ne soit pas aussi chaud, il est beaucoup plus facile d'atteindre une température qu'avec les supraconducteurs actuels. Par exemple, aimants supraconducteurs d'ITER devra être refroidi à proximité du zéro absolu avec de l’hélium liquide, une procédure très énergivore et coûteuse.
Dans l’ensemble, cela indique que les supraconducteurs sont susceptibles de devenir beaucoup plus courants à moyen terme, à mesure que de nombreuses autres formes d’entre eux sont découvertes et expérimentées.
Nickelates supraconducteurs
En 2019, Danfeng Li, physicien à l'Université de Hong Kong, et son collègue, ont découvert que le nickelate possédait des propriétés supraconductrices potentielles. En 2023, une autre équipe a démontré la supraconductivité des nickelates à des températures plus élevées, mais sous haute pression.
Source: Nature
Mais c'est en décembre 2024 que l'on a détecté pour la première fois que les nickelates perdaient leur résistance à une température critique et expulsaient des champs magnétiques, deux indications fortes de supraconductivité.
Pour obtenir ce résultat, des films monocristallins de La2.85Pr0.15Ni2O7 (lanthane-praséodyme-nickel) ont été développés en utilisant une technique appelée épitaxie atomique couche par couche gigantesque-oxydante (GOALL-Epitaxy)Cette technique a été développée par la même équipe de chercheurs et permet d'obtenir une oxydation plusieurs ordres de grandeur plus forte et une précision dans la production de couches de matériaux au niveau atomique.
Source: researchgate
Des méthodes analytiques avancées ont été utilisées pour étudier le composé à base de nickel, notamment des images de microscopie électronique à transmission à balayage (STEM) et des cartographies de l'espace réciproque aux rayons X (RSM).
Ils ont révélé l’apparition d’une phase tétragonale dans la couche d’oxyde de nickel, qui pourrait être responsable de la libre circulation des électrons dans les bonnes conditions.
Amélioration des matériaux supraconducteurs
La méthode utilisée comme test préliminaire pour améliorer les propriétés du nickelate peut encore être améliorée. Cela devrait conduire à de multiples tests pour élever encore la température de ces supraconducteurs.
« Il y a un grand espoir que nous puissions un jour augmenter la température critique et rendre ces matériaux plus utiles pour les applications. »
Danfeng Li – Physicien à l’Université de la Ville de Hong Kong.
L'analyse indique que le processus qui confère aux nickelates la supraconductivité est similaire à celui qui affecte les cuprates (fabriqués à partir de cuivre).
« L’augmentation de cette production est une priorité. L’équipe essaie différentes astuces pour peaufiner la façon dont le matériau est cultivé et sa composition précise. »
Zhuoyu Chen – Physicien chez SUSTech
Les expériences avant la théorie
Il convient de noter que les résultats récents concernant les supraconducteurs à haute température, ou même les supraconducteurs potentiels à température ambiante, sont en avance sur la physique théorique dans ce domaine.
La raison pour laquelle cela fonctionne reste donc encore un mystère. Il n’existe pas encore d’explication complète sur les raisons pour lesquelles ces matériaux sont supraconducteurs, et encore moins de méthode prédictive permettant de prédire quel matériau pourrait présenter ces caractéristiques.
Jusqu’à présent, la nécessité de conditions de haute pression ou d’hyper-froid avait gravement entravé l’étude de ces matériaux, car il était difficile de tester quoi que ce soit lorsque la supraconductivité ne se produit que dans une enclume de diamant ou de l’hélium liquide.
Des conditions plus faciles à maintenir devraient donner beaucoup plus de marge de manœuvre aux scientifiques pour étudier ces matériaux et les modifier.
Il reste donc une grande marge de progression, et une meilleure connaissance de ces matériaux, notamment avec l’aide de l’IA, devrait permettre d’aller plus loin.
Cela devrait également inciter davantage de chercheurs à travailler sur le terrain et davantage d’entreprises à consacrer des budgets de R&D à ces projets, accélérant ainsi le rythme des progrès.
Applications futures
Les supraconducteurs à haute température pourraient constituer un matériau miracle immédiat s’ils étaient suffisamment bien compris pour permettre leur fabrication à grande échelle.
Le premier effet immédiat serait de diminuer le coût des équipements exploitant déjà la supraconductivité, comme l’IRM, les trains à sustentation magnétique, les turbines et générateurs avancés, les accélérateurs de particules, les réacteurs de fusion expérimentaux, etc.
Cela rendrait également possible une technologie qui jusqu’à présent n’avait jamais pu être mise en œuvre ou qui était excessivement coûteuse en raison des contraintes techniques des supraconducteurs à basse température.
Ceci comprend trains hyperloop, moteurs de masse pour atteindre l'orbite, fusion nucléaire commerciale, connexions au réseau intercontinental, etc. Chacune de ces technologies modifierait à jamais le cours de la civilisation humaine.
Leaders en solutions de supraconductivité
Société américaine des supraconducteurs
(AMSC )
AMSC est une entreprise qui fournit des solutions énergétiques pour le réseau électrique, les navires et l'énergie éolienne. En général, plus un système est gourmand en énergie ou massif, plus il nécessite une technologie supraconductrice pour éviter la surchauffe.
Malgré son nom, ASMC fournit non seulement des systèmes supraconducteurs, mais également, par exemple, des transmissions par engrenages pour les éoliennes.
L'entreprise s'appuie sur de multiples moteurs de croissance, allant de la tendance à l'électrification et à la numérisation (y compris les centres de données d'IA), mais aussi à la relocalisation des capacités de fabrication américaines et à la nécessité pour les marines de l'anglosphère de se moderniser en réponse aux risques géopolitiques croissants.
Dans le secteur de l'alimentation électrique, AMSC a enregistré une hausse constante des commandes. Cette hausse est due au fait que les usines de semi-conducteurs cherchent à se protéger des fluctuations du réseau électrique, à aider le réseau à faire face à la nature intermittente des énergies renouvelables et à l'alimentation et aux commandes des sites industriels.
Dans le segment des éoliennes, AMSC est principalement active dans le domaine des systèmes de contrôle électrique (ECS). Historiquement, l'ESC était un segment fort pour l'entreprise avec les éoliennes de 2 MW, mais il a progressivement décliné. AMSC vise un rebond grâce à la nouvelle conception de la turbine de 3 MW, avec une attention particulière portée au marché indien.
Source : American Superconductor Corporation
Pour les navires militaires, ASMC fournit le système de contre-mesure magnétique anti-mines supraconductrice à haute température d'AMSC, qui modifie la signature magnétique des navires afin de les protéger des mines marines. Ce système est vendu aux marines américaine, canadienne et britannique, pour un montant de 75 millions de dollars à ce jour.
Dans l’ensemble, ASMC s’en sort mieux en exploitant la technologie des supraconducteurs dans des applications de niche viables aujourd’hui, tout en étant probablement prête à déployer de nouvelles avancées à l’avenir. Les investisseurs doivent également noter que le titre a connu une volatilité extrême dans le passé et qu’ils doivent calculer les risques en conséquence.
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Référence de l'étude :
1.Zhou, G., Lv, W., Wang, H. et al.(2025) Début de la supraconductivité à pression ambiante au-dessus de 40 K dans (La,Pr)3Ni2O7 Nature. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08755-z
