LES  LASERS  DE  RECHERCHE

Ultrapuissants et ultrarapides, les lasers sont utilisés par les chercheurs pour étudier la physique à très haute densité d'énergie ou pour étudier les phénomènes de physique à très haute intensité.

Publié le 30 juin 2015


Grâce à ses propriétés uniques, le laser peut concentrer des énergies (relativement) importantes à la fois dans l’espace (focalisation) et dans le temps (impulsions brèves) pour atteindre des intensités gigantesques, capables de changer l’état de la matière, et en dévoiler les secrets. Afin d’utiliser des lasers spécifiques à leurs recherches, les chercheurs jouent sur ces deux critères principaux : la brièveté des impulsions laser, jusqu’à la femtoseconde (10-15 s), pour étudier les phénomènes de physique à très haute intensité, et l’énergie des faisceaux pour la physique à très haute densité d’énergie (plasmas, fusion nucléaire…).

DES LASERS POUR LA FUSION
Pionnier dans ce domaine, le CEA a conçu et assemblé, sur le centre du Cesta à proximité de Bordeaux, le laser Mégajoule (LMJ) précédé par la Ligne d’intégration laser (LIL), pour étudier la fusion par confinement inertiel.

La Ligne d’intégration laser, un prototype

Le laser Mégajoule délivrera une énergie lumineuse pouvant atteindre 1,8 million de joules.

La Ligne d’intégration laser avait une longueur de 150 m, une largeur de 70 m et une hauteur de 23 m.
Prototype de quatre faisceaux laser du laser Mégajoule, la LIL a été développée et mise au point pour en valider les choix technologiques et physiques (optiques). Depuis sa mise en fonctionnement en 2002 et jusqu’à son arrêt en 2014, la LIL a permis d’optimiser l’ensemble de la chaîne laser en vue de son utilisation au sein du LMJ. La méthode d’alignement, le lissage des faisceaux de lumière ou encore la fiabilité des composants ont été évalués et améliorés en vue d’une utilisation, à coût minimal, dans la future installation. Les premiers diagnostics pour le contrôle des futurs faisceaux et ceux du dispositif de mesures pour les expériences de physique y ont été mis au point. Au départ prototype, la LIL est devenue, de par ses caractéristiques, un grand instrument de physique pour la recherche ; elle a été utilisée pour mener des expériences préfigurant celles qui seront réalisées avec le LMJ.

Caractéristiques de la ligne d'intégration laser LIL
Mode de fonctionnement    impulsionnel
Durée de l'impulsion    1 nanoseconde (10-9 seconde)
Energie laser de sortie    30 000 joules
Puissance    15-60 térawatts (TW)
Milieux laser    Milieux laser : verre dopé au néodyme
Longueur d'onde fondamentale    infrarouge
Longueur d'onde de sortie    ultraviolet


Le laser Mégajoule
Le laser Mégajoule (LMJ) est une installation majeure du programme Simulation de la Direction des applications militaires du CEA. Cette installation exceptionnelle, dimensionnée pour accueillir jusqu’à 240 faisceaux, sert à étudier, à toute petite échelle, les conditions extrêmes atteintes par les matériaux lors du fonctionnement des armes nucléaires.
Son utilisation doit permettre en particulier :
*         de valider les modèles fondamentaux (équations de physique) décrivant la physique du fonctionnement des armes nucléaires, et de vérifier que la modélisation prend en compte tous les phénomènes ;
*        
*         de réaliser des expériences mettant en jeu l’enchaînement et l’imbrication de ces modèles. Ces expériences sont essentielles pour démontrer la maîtrise des chaînes de logiciels reproduisant par le calcul le fonctionnement des armes. La validation de la simulation repose sur de nombreuses catégories d’expériences ; les plus complexes conduisent à la combustion d’une microcible contenant un mélange deutérium-tritium porté à 70 millions de degrés (l’ignition).

Le laser Mégajoule délivrera une énergie lumineuse pouvant atteindre 1,8 million de joules. Pour amener l’énergie jusqu’à la cible, une impulsion laser de très faible énergie est amplifiée progressivement, sur une très grande distance (450 m). La chaîne laser se déploiera sur 300 m de longueur, 160 m de largeur, dans quatre halls de 128 m de longueur et 14 m de hauteur.

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Matériaux critiques : un enjeu de souveraineté


Sans matières premières, pas de transition énergétique ni numérique. Or, la disponibilité de la plupart de ces métaux est soumise à de nombreux aléas. Un sujet éminemment stratégique où il est question de souveraineté économique, technologique, industrielle et environnementale. Luc Aixala, chef du programme Procédés de fabrication, recyclage et analyse du cycle de vie à la Direction des énergies du CEA et Guillaume Pitron, journaliste, reporter et réalisateur, font le point.

PUBLIÉ LE 17 JUIN 2021
       
Qu’entend-on par matériaux critiques ?
Guillaume Pitron : Un métal est considéré comme critique lorsque sa production est faible par rapport aux métaux abondants, et surtout lorsqu’elle est concentrée dans quelques pays producteurs. Par exemple, le Brésil produit plus de 90 % du niobium, les États-Unis plus de 90 % du béryllium, la Chine plus de 90 % de certaines terres rares. Si bien que l’Europe fait face à un risque de pénurie d’approvisionnement de certains métaux déterminants dans la transition énergétique.

Cette situation est identifiée depuis 2011 par la Commission européenne qui dresse tous les trois ans une liste de ces métaux critiques. En France, ils sont nommés métaux stratégiques par le comité du même nom parce qu’ils sont au cœur des filières industrielles d’un pays qui n’en maîtrise pas l’extraction.

Luc Aixala : La question de l’approvisionnement est cruciale car nous assistons à une explosion du marché des batteries, panneaux photovoltaïques (PV) et moteurs électriques. Les batteries des véhicules électriques contiennent par exemple du lithium, du cobalt et du nickel. Si le premier est relativement disponible, les deux autres le sont moins et sont onéreux (entre 20 et 70 € le kg). Or, des experts estiment que la demande de ces matériaux sera multipliée par six d’ici 2030 par rapport à 2010, ce qui reviendra à produire 150 000 tonnes par an de cobalt contre 25 000 tonnes.  Les industriels européens commencent à évoquer leur difficulté d’approvisionnement, car le secteur est dominé par l’Asie. L’Europe cherche à retrouver sa souveraineté dans la fabrication des batteries en relocalisant leur fabrication dans des gigafactories. Il y a deux projets en France, ceux des entreprises ACC et Verkor, qui visent entre 500 000 et un million de batteries par an. Mais cela représente plusieurs milliards d’euros d’investissement.

En quoi le sujet des matériaux critiques est-il lié à celui de la souveraineté ?
Guillaume Pitron : On constate que la Chine a pensé sa souveraineté minérale au regard de sa souveraineté technologique, avec une vision à long terme. Elle contrôle ses ressources pour capitaliser sur toute la chaîne de valeurs en extrayant, développant et fabriquant batteries, aimants permanents, panneaux PV, etc. Un boulanger ne peut faire un bon pain s’il n’a pas de farine ! Et la Chine l’a bien compris, de la mine au laboratoire.

Luc Aixala : Les entreprises ont conscience de cette problématique, mais demeure le problème de la compétitivité. Par exemple, fabriquer les aimants des moteurs électriques et des éoliennes en mer coûte deux fois plus cher en Europe qu’en Chine. Nous devons faire face à une réalité industrielle difficile. La France et l’Europe s’emparent ainsi du sujet : le plan France Relance accorde 450 millions d’euros aux projets Résilience, dont une partie pour les matériaux critiques et l’alliance européenne des matériaux stratégiques regroupe 500 partenaires industriels pour réfléchir à des projets et plateformes pilotes dans le cadre du programme Horizon Europe.

Guillaume Pitron : Se pose aussi la question des souverainetés environnementale et sociale. Fabriquer une batterie ou un aimant dans un pays où l’on ne maîtrise pas le mix énergétique (par exemple dominé par le charbon et le pétrole), ni les conditions d’extraction du minerai (polluantes voire socialement déplorables), revient à perdre une partie de notre souveraineté en la matière.

Luc Aixala : L’analyse du cycle de vie (ACV) des produits, qui consiste en l’étude technico-économique et l’impact environnemental de l’ensemble des étapes de leur fabrication, est en effet un outil très important. L’utiliser dans les programmes Energie du CEA pour nos partenaires industriels permet de mieux concevoir les systèmes bas carbone, voire de générer parfois de réelles symbioses industrielles. Mais, dans les faits, l’ACV ne peut être le seul décideur car, à un moment donné, l’industriel doit pouvoir vendre ses produits. C’est important de le dire, tout comme il faut nuancer le discours du « on va tout recycler ».

Quelle solution d’avenir pour garantir la disponibilité de ces métaux critiques, si l’on ne peut pas tout miser sur le recyclage ?
Guillaume Pitron : Il est en effet candide de tout miser sur le recyclage. Car entre le moment où un produit rentre sur le marché et le moment où il en sort, il peut se passer dix ans. Or, sa consommation augmentant de 10 % par an, au bout de dix ans il aura fallu en produire encore plus. Et vous vous retrouvez toujours avec des mines à ouvrir. L’avenir sera un mix de matières primaires (extraites) et secondaires (recyclées).

Luc Aixala : En Europe, les réglementations actuelles, et celles se profilant, sont à la hauteur des enjeux environnementaux. Mais le problème est en partie ailleurs. La Direction générale des entreprises a pris les choses en main concernant les aimants permanents. Elle mène depuis plus d’un an des groupes de travail avec les acteurs du secteur qui ont fait émerger plusieurs projets structurants soutenus par France Relance. Mais, force est de constater que des sujets ont été désindustrialisés et qu’il y a des « trous » dans la chaîne de valeur. Il y avait notamment en France le recyclage des terres rares, mais l’usine de Solvay a fermé fin 2016, faute de rentabilité.
Autre exemple : demain, 100 % des batteries de la mobilité électrique devront être recyclées, il y a donc un marché conséquent. Mais bien que l’Europe ait de grandes capacités technologiques et industrielles en recyclage, elles sont sans commune mesure avec celles de la Chine : 160 000 tonnes par an pour plusieurs usines en cours de construction, quand nos acteurs, comme la SNAM en France, en recyclent 10 à 20 000 tonnes par an. De plus, cela peut vraiment coûter moins cher demain d’envoyer par containers des batteries usées et de les recycler en Chine. Mais cela serait dramatique, tant au niveau économique qu’environnemental. Ne va-t-il pas falloir à un moment aider ces industries stratégiques ?

Comment valoriser les matériaux recyclés par rapport à ceux extraits de la mine ?
Guillaume Pitron : Il y a déjà une question de prix des matières premières : si on intégrait dans le coût du néodyme ou de l’indium, celui de la construction de l’hôpital pour soigner les cancers induits par les méthodes d’extraction, et celui de la dépollution de tous les sols, il est certain que ce coût serait bien plus important. Mais les Chinois ne le feront pas, à moins que cela devienne socialement et politiquement intenable. Ce qui n’est pas encore le cas. On pourrait attendre longtemps avant d’être compétitif par les seules règles du marché, et que la matière secondaire soit aussi compétitive que la matière primaire. D’autant plus que les industriels sont soumis aux cycles très changeants des cours des matières premières, avec les difficultés de visibilité et de projections que cela induit pour la filière du recyclage. Nous avons besoin que la puissance publique crée artificiellement de la compétitivité.
Je crois beaucoup en la relocalisation de nos moyens d’extraction, avec la réouverture de mines en Europe et France. Car la production de ces matériaux dans des conditions environnementales et socialement acceptables est aussi un enjeu éthique. Si on veut une transition écologique et solidaire, du nom du ministère qui en a la charge, il faut qu’à un moment donné on prenne notre part de ce « fardeau » et qu’on ne compte plus sur un autre pour faire la « sale besogne ». Car dans nos systèmes énergétiques, y compris fossiles, tout commence par une cicatrice dans le sol.

Guillaume Pitron est l’auteur de l’ouvrage « La guerre des métaux rares ». Celui-ci a été adapté en BD, intitulée « Promethium » et parue le 22 avril 2021.

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Traitement et recyclage du combustible usé


Le traitement des combustibles usés et le recyclage des matières extraites est un élément majeur de la stratégie française. Il permet d’économiser des ressources naturelles et de réduire les quantités de déchets à stocker, tout en les conditionnant de manière sûre. Il s’appuie aujourd’hui sur l’utilisation opérationnelle de combustible MOX, qui permet un premier recyclage en réacteur à eau sous pression (REP) des matières issues du traitement des combustibles usés.

PUBLIÉ LE 28 JUILLET 2021
       

Le traitement des combustibles usés couvre l’ensemble des opérations qui permet de séparer les matières valorisables (uranium, plutonium) contenues dans les combustibles irradiés des déchets (produits de fission et actinides mineurs). Le CEA, qui a été à l’origine des procédés et technologies mis en œuvre dans les ateliers de l’usine Orano de La Hague, dispose d’une connaissance approfondie des processus en jeu et accompagne les industriels de la filière nucléaire.

Le traitement des combustibles usés, comment ça marche ?
Après quatre années d’utilisation, le combustible, dit « usé », est retiré du réacteur. Il se compose alors de 96 % de matières valorisables (réutilisables) et de seulement 4 % de déchets (éléments non réutilisables, issus de la fission de l’uranium et pour la plupart très radioactifs).
Après une période d’entreposage en piscine de refroidissement (pour faire décroître la radioactivité et la chaleur émise), le combustible usé est traité dans l’usine Orano de La Hague. Il est notamment dissous et mis en présence de molécules extractantes, conçues pour isoler des éléments spécifiques. Ce traitement permet de séparer les matières valorisables des déchets.

La fabrication du MOX pour un mono-recyclage
Une fois les combustibles usés traités, les matières valorisables qu’ils contenaient peuvent être recyclées. Tel qu’il est actuellement pratiqué, le recyclage du combustible consiste à mélanger le plutonium extrait des combustibles usés avec de l’uranium appauvri issu des opérations d’enrichissement pour fabriquer un nouveau combustible appelé MOX (Mixed OXides), lequel va de nouveau alimenter des réacteurs. Depuis 1987, EDF alimente une vingtaine de ses réacteurs avec du MOX, à raison d’un tiers d’assemblages de combustible MOX et de deux tiers d’UOx. Le plutonium issu du recyclage des combustibles UOx usés fournit ainsi, en France, environ 10 % de l’électricité nucléaire.

COMMENT EST FABRIQUÉ LE MOX ?
En fin de traitement du combustible usé, à l’issue des opérations de séparation et de purification, le plutonium et l’uranium sont convertis en poudre d’oxyde. De manière assez similaire à l’uranium naturel issu des mines, l’uranium de retraitement peut être utilisé, après ré-enrichissement, comme matière première dans la fabrication de combustibles UOx. Le plutonium est, quant à lui, valorisé industriellement dans les combustibles MOX. Pour cela, la poudre de dioxyde de plutonium (PuO2) est transformée en pastilles qui sont insérées dans des gaines étanches pour constituer des crayons. Ces derniers sont enfin chargés, sous forme d’assemblages MOX, dans les réacteurs nucléaires.

Boite à gant microscope optique qui permet de caractériser la microstructure des différents matériaux base Pu élaborés, et de contrôler la qualité des fabrications. La microscopie optique nécessite une préparation des échantillons avant observation (enrobage dans une résine, tronçonnage des pastilles, polissage). Elle permet ensuite de mettre en évidence des défauts (fissures, pores), de caractériser l'homogénéité de répartition de l'U et du Pu dans les MOX (après attaques sélectives), de caractériser la taille de grains d'une microstructure. © G.Lesénéchal / CEA

AUJOURD’HUI, UNE SEULE UTILISATION DU PLUTONIUM
Aujourd’hui, le MOX ne peut être utilisé qu’une seule fois en réacteur à eau sous pression. En effet, une fois usé, le MOX contient du plutonium difficilement utilisable dans le parc actuel des REP de par sa composition isotopique dégradée. Ce mono-recyclage permet toutefois une économie des ressources minières en uranium d’environ 10 % et une diminution de la radiotoxicité et du volume des déchets de haute activité et à vie longue. Le mono-recyclage sous forme de MOX dans les REP doit ainsi être considéré comme une première étape visant à la fois à améliorer l’utilisation des ressources naturelles dans les réacteurs actuels et à minimiser le volume des déchets.
Des études sont en cours pour évaluer la possibilité du multi-recyclage en REP, en travaillant sur de nouvelles formes de MOX.

Les activités CEA pour optimiser les procédés de traitement et de fabrication

La R&D du CEA relative au traitement des combustibles usés et à la fabrication de nouveaux combustibles s’articule autour de quatre axes :

LE SOUTIEN AU FONCTIONNENT ACTUEL DES USINES ORANO DE LA HAGUE (MANCHE) ET MÉLOX (GARD)
Le CEA assure, en soutien à Orano, une R&D pour remédier aux problèmes qui apparaissent sur les lignes de production, améliorer les performances des ateliers et adapter les procédés afin de suivre l’évolution du marché des combustibles à traiter.
L’EXTENSION DU DOMAINE DES COMBUSTIBLES POUVANT ÊTRE TRAITÉS DANS L’USINE DE LA HAGUE
Le CEA mène également des recherches et développements pour élargir le domaine des combustibles usés pouvant être traités dans l’usine de La Hague. Le CEA travaille notamment sur les mécanismes de dissolution d’oxydes de plutonium et d’uranium et sur la gestion des fortes insolubilités liées aux concentrations relativement élevées en plutonium des combustibles MOX.

LE DÉVELOPPEMENT DE PROCÉDÉS AVANCÉS EN VUE DU MULTI-RECYCLAGE DU PLUTONIUM
En cas de multi-recyclage du plutonium, les quantités de plutonium présent dans les combustibles usés à traiter et à fabriquer augmenteraient. Le CEA travaille sur des procédés de récupération quantitative de cette matière plus sélectifs, simples et sûrs. De plus, il développe des briques technologiques de fabrication des combustibles MOX afin d’identifier de nouveaux procédés qui pourraient être mis en œuvre, dans un premier temps, pour le multi-recyclage en REP et, dans un deuxième temps, pour la fermeture du cycle dans des Réacteurs à Neutrons Rapides (RNR).

LA VALORISATION DES PRODUITS DE FISSION ET DES ACTINIDES MINEURS
Des actions de R&D sont également réalisées en partenariat avec Orano sur la récupération, lors des opérations de traitement, de certains platinoïdes produits au sein des combustibles nucléaires lors de leur utilisation en réacteur. En effet, certains d’entre eux ont un coût très élevé sur le marché des métaux et sont largement utilisés, en particulier pour fabriquer des catalyseurs. Cette valorisation implique des performances très élevées de décontamination vis-à-vis des autres produits de fission pour assurer une utilisation de ces éléments avec des contraintes radiologiques parfaitement maîtrisées.

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La supraconductivité, ce sont des matériaux capables de conduire le courant électrique sans aucune résistance. Ce phénomène quantique encore mystérieux et jusqu'ici cantonné aux très basses températures a captivé nos lecteurs cette année.

Imaginez un monde dans lequel le courant circulerait sans perte dans les lignes à haute tension, où nos appareils électriques et électroniques ne consommeraient que très peu d’énergie et où nous voyagerions à très grande vitesse dans des trains lévitant au-dessus des rails, à l’abri des frottements. Cette alléchante perspective pourrait bien un jour devenir réalité grâce à la supraconductivité.
Ce phénomène physique découvert il y a plus d’un siècle se manifeste dans certains matériaux par la disparition de toute résistance électrique – et donc de toute perte d’énergie. Cette propriété unique a déjà permis le développement d’applications majeures, comme l’imagerie par résonance magnétique (IRM) dans les hôpitaux ou encore les accélérateurs de particules pour la recherche en physique. Malheureusement, pour acquérir cette propriété extraordinaire, la plupart des matériaux supra-conducteurs mis au point jusqu’ici doivent être refroidis à des températures extrêmes, proches du zéro absolu (- 273,15 °C), en faisant appel à des systèmes de réfrigération chers et encombrants. Cela a limité jusqu’à aujourd’hui leur utilisation à quelques applications de niche.


Train à grande vitesse à lévitation magnétique mis en service dans la ville de Qingdao (Chine) en 2021. L’effet Meissner (expulsion de tout champ magnétique), au cœur même du fonctionnement de ce train, lui permet des pointes à 600 km/h.



Mais les chercheurs n’ont pas dit leur dernier mot : dans les laboratoires du monde entier, ils tentent d’élucider les mécanismes à l’origine de la supraconductivité, et conçoivent et étudient de près de nouveaux matériaux prometteurs. Avec en ligne de mire la découverte de supraconducteurs à température ambiante, qui ne nécessiteraient donc plus aucune réfrigération. La supraconductivité pourrait alors enfin révolutionner notre quotidien.
Du phénomène étrange observé…
C’est en 1911 que cet état de la matière est mis en évidence. En refroidissant du mercure à - 269 °C grâce à de l’hélium liquide, le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes découvre alors que la résistance électrique du métal devient nulle. Une caractéristique surprenante puisque dans les conditions normales, même les fils électriques les plus conducteurs qui soient perdent une partie de leur énergie sous forme de chaleur. Par la suite, de nombreux autres métaux (plomb, étain ou aluminium) et alliages métalliques supraconducteurs sont découverts – toujours à des températures frôlant le zéro absolu.

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Il faudra attendre la fin des années 1950, plus précisément 1957, pour que le phénomène soit enfin expliqué par trois physiciens américains qui proposèrent la théorie BCS, initiales de leur nom respectif : John Bardeen, Leon Neil Cooper et John Robert Schrieffer.
La supraconductivité est l'une des rares manifestations à l’échelle macroscopique d’un effet de physique quantique.
La supraconductivité trouve en fait son origine dans le comportement des électrons qui composent les atomes et, pour la comprendre, il faut avoir recours à la physique quantique qui décrit la matière à cette échelle. « Il s’agit même d’une des rares manifestations à l’échelle macroscopique d’un effet de physique quantique », souligne Cyril Proust1, du Laboratoire national des champs magnétiques intenses du CNRS.
Explication : à mesure que la température baisse dans le matériau, les mouvements des atomes se réduisent jusqu’à générer des vibrations particulières de la structure cristalline qui poussent les électrons à s’associer d’abord par paires, puis tous ensemble pour former une onde collective qui occupe tout le matériau.
… aux premiers succès
Plus rien ne perturbe alors le mouvement des électrons, d’où la disparition de la résistance électrique. Mais le phénomène s’évanouit à nouveau au-dessus d’une certaine température qualifiée de « critique », l’agitation thermique détruisant ce fragile équilibre. En plus de la disparition de la résistance électrique, les recherches révèlent au fil des ans une autre propriété étonnante : un supraconducteur expulse tout champ magnétique qu’on veut lui imposer. C’est l’effet Meissner, du nom de son découvreur.  Grâce à ses deux propriétés remarquables, la supraconductivité ne tarde pas à trouver des applications. Il suffit en effet d’injecter du courant de forte intensité dans une bobine de fil supraconducteur pour qu’il génère un champ magnétique tout aussi important, sans risque de surchauffe. Ou encore qu’un aimant soit placé au-dessus d’un supraconducteur pour littéralement léviter.

Ces champs magnétiques intenses sont, entre autres, indispensables au fonctionnement des appareils d’IRM qui analysent les tissus des patients, de la spectroscopie par résonance magnétique utilisée par les scientifiques pour dévoiler la structure moléculaire d’un échantillon, des réacteurs expérimentaux de fusion nucléaire, comme Iter, actuellement en construction en France, et des accélérateurs de particules dans lesquels d’immenses aimants supraconducteurs dévient et focalisent les faisceaux de particules.

Si le LHC du Cern utilisait des aimants conventionnels en cuivre, il ne mesurerait pas 27 kilomètres de circonférence mais 100, et il consommerait près de 25 fois plus d’énergie !
À ce titre, si le LHC du Cern, à Genève, utilisait des aimants conventionnels en cuivre, il ne mesurerait pas 27 kilomètres de circonférence mais 100, et il consommerait près de 25 fois plus d’énergie ! Autrement dit, il n’aurait pas pu voir le jour. Malgré ces premiers beaux succès, les scientifiques gardent les pieds sur terre. D’après la théorie BCS qui identifie clairement le mécanisme en jeu, ils savent en effet que pour devenir supraconducteur, un métal doit forcément être refroidi à très basse température. Très peu imaginent donc pouvoir mettre au jour une supraconductivité à une température plus élevée. Et encore moins à température ambiante !

Une découverte inopinée
Jusqu’à ce qu’une découverte vienne complètement changer la donne. En 1986, on identifie en effet de manière inattendue les premiers supraconducteurs dits à « haute température critique » – comprenez à des températures plus élevées que celles observées jusque-là. Ces matériaux de synthèse sont des cuprates, des composés à base d’oxyde de cuivre. Et le record de température de passage à la phase supraconductrice détenu par un cuprate (à base de mercure) est aujourd’hui de - 135 °C. Une température certes encore froide mais beaucoup plus facilement accessible grâce à l’azote liquide cette fois. Avec cette découverte, la communauté scientifique reprend espoir. Et si finalement la supraconductivité pouvait exister à température ambiante ?
Les chercheurs se mettent alors en quête de décrypter ce nouveau type de supraconductivité exhibée par les cuprates, l’idée étant ensuite de pouvoir l’améliorer et, pourquoi pas, de trouver des supra-conducteurs à température ambiante. « Les expériences ont montré assez vite qu’on avait affaire à une supraconductivité non conventionnelle : comme dans les métaux, c’est l’appariement des électrons qui conduit à l’apparition du phénomène mais contrairement à ce qui est décrit dans la théorie BCS, ce ne sont pas les vibrations des atomes qui constituent la colle entre les électrons », explique Cyril Proust.

Le mystère des cuprates
Percer la nature de cette mystérieuse colle devient alors l’objectif numéro un, la question constituant même l’un des principaux sujets de recherche en physique de la matière condensée. Et pour avancer, théoriciens et expérimentateurs travaillent main dans la main, améliorant considérablement les techniques de mesure des matériaux et inventant de nouveaux concepts théoriques et de nouvelles approches numériques pour les décrire. En trente ans, cette recherche a permis bon nombre d’avancées dans le domaine de la supraconductivité, et plus largement en physique.

Dorothée COLSON/P BONNAILLIE/CEA/CNRS Images
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« Mais force est de reconnaître que le mystère de la supraconductivité à haute température critique n’a toujours pas été résolu. Plusieurs explications sur son origine ont bien été avancées mais aucune ne fait aujourd’hui consensus », admet Alain Pautrat, du laboratoire de Cristallographie et sciences des matériaux2. Si cette question reste encore ouverte, c’est parce que les cuprates sont des matériaux déroutants, à la physique complexe, même lorsqu’ils ne sont pas supraconducteurs. Initialement, un cuprate est un matériau totalement isolant. C’est en lui ajoutant ou en lui retirant des électrons par une modification chimique appelée « dopage » qu’il se transforme en un conducteur d’électricité puis en supraconducteur à plus basse température.

Effet de groupe
Contrairement à un métal où les électrons peuvent être considérés comme indépendants, dans un cuprate les électrons sont dits « fortement corrélés » : ils se gênent, se bloquent et ne se déplacent que collectivement, une situation qui rend leur description extrêmement difficile et qui fait que leur comportement nous échappe. Et pour venir compliquer encore plus les choses, les chercheurs savent aussi qu’à l’état isolant, un cuprate est un matériau magnétique. Si bien qu’aujourd’hui, deux scénarios dominent pour expliquer la supraconductivité de ces oxydes de cuivre.

Plusieurs explications de l'origine de la supraconductivité à haute température ont bien été avancées, mais aucune ne fait aujourd’hui consensus.

Pour certains, ce serait ce même magnétisme – ou plutôt de petites fluctuations magnétiques qui resteraient à l’état de trace près de la température critique – qui fournirait la « colle » aux paires d’électrons. « De nombreuses observations le suggèrent fortement, même si aucune preuve directe n’a encore été apportée », confie Cyril Proust, partisan de cette théorie. D’autres mettent en avant le fait que, sous l’effet de ces fortes corrélations, les électrons s’organisent sous différentes configurations ou ordres tous plus exotiques les uns que les autres.
Ces différentes configurations pourraient entrer en compétition, avec pour conséquence l’apparition de la supraconductivité. « Les expériences ont permis de bien caractériser ces ordres électroniques, mais leur diversité fait qu’il est encore difficile d’établir un lien de cause à effet avec la supraconductivité », reconnaît Alain Pautrat.

Un défi expérimental
Les chercheurs sont donc toujours dans l’attente de l’expérience ultime qui viendra trancher le débat. De son côté, Cyril Proust compte bien apporter sa pierre à l’édifice, lui qui a déjà permis de faire progresser le domaine. Depuis 2003, il soumet des échantillons de cuprates à des impulsions magnétiques très intenses, capables de supprimer leur supra-conductivité. « Ce faisant, nous dévoilons les propriétés que le matériau aurait sans l’établissement d’une phase supraconductrice. Ainsi, nous avons pu mettre en évidence tous ces ordres électroniques en compétition », explique le chercheur.


Pénétration d’un champ magnétique dans une couche mince du cuprate supraconducteur (yttrium, baryum, cuivre, oxygène).

Cornelis VAN DER BEEK/CNRS Images
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Et pour aller plus loin encore, Cyril Proust et son équipe préparent leur prochaine expérience : il s’agira cette fois d’exposer des cuprates à des champs magnétiques encore jamais atteints, de 200 teslas (soit 2 000 fois plus puissant que l’aimant collé sur votre frigo), seule manière de détruire la supraconductivité là où la température critique est à son maximum et où le phénomène est le plus intense. « Le défi expérimental est de taille mais il constitue une des clés pour résoudre ce mystère », poursuit-il.

De nouvelles classes de matériaux
L’étude d’autres matériaux supraconducteurs à haute température critique pourrait elle aussi apporter son lot de découvertes. Car même si les cuprates font figure de stars en détenant les records de température, ils ne sont pas les seuls représentants de cette nouvelle classe de supraconducteurs. En 2008, on met ainsi en évidence la supraconductivité des pnictures, des composés à base de fer dont la température de transition vers la phase supraconductrice est de - 217 °C. Moins complexes à décrire que leurs cousins à base d’oxyde de cuivre, les pnictures ont révélé que, dans leur cas, c’est probablement le seul magnétisme qui permet aux charges électriques de former des paires. Plus récemment encore, en 2018, ce sont les nickelates, à base d’oxyde de nickel, qui sont venus s’ajouter à la liste, affichant une température critique de l’ordre de - 258 °C.


Structure cristallographique du pnicture BaFe2As2, un matériau supraconducteur à base de fer. Les atomes de fer sont en rouge, les atomes d'arsenic en bleu et les atomes de baryum en jaune.

Pour ces composés structurellement très proches des cuprates, et dont on soupçonnait qu’ils puissent être supraconducteurs depuis une vingtaine d’années, il semblerait cette fois que le magnétisme ne joue pas de rôle dans l’apparition de la supraconductivité. De quoi donner du grain à moudre aux théoriciens. « Si l’on veut un jour comprendre la supraconductivité à haute température critique, il est primordial de comparer les différentes familles de matériaux. De cette manière seulement, on pourra acquérir une vision globale du phénomène et identifier les mécanismes les plus importants », insiste Marie-Aude Méasson, de l’Institut Néel du CNRS.
Hydrures : les nouveaux enfants prodiges
La maîtrise de la supraconductivité à haute température critique annonce une petite révolution pour les réseaux électriques et l’électronique. Mais il ne faut pas s’attendre à un bouleversement majeur tant qu’on ne saura pas se passer de dispositifs de refroidissement. La véritable révolution ne pourra se faire qu’à température ambiante. Heureusement, la supraconductivité n’est pas avare en rebondissement et si les cuprates n’ont toujours pas révélé leurs mystères, c’est désormais vers d’autres matériaux que tous les regards se tournent : les hydrures.
L’intérêt pour ces composés riches en hydrogène a été lancé en 2015 lorsqu’une équipe de chercheurs allemands montre que le sulfure d’hydrogène devient supraconducteur à - 70 °C, une température bien plus élevée que celle des cuprates. Néanmoins, le revers de la médaille, c’est que ce record s’établit à des pressions infernales : pour obtenir l’état supraconducteur, il faut en effet soumettre l’échantillon à une pression gigantesque de l’ordre de 2 millions de bars, soit 2 millions de fois celle de notre atmosphère ! Pour cela, les physiciens utilisent des cellules à enclumes de diamant – le matériau le plus dur qui soit.


En 2015, des chercheurs allemands ont montré que le sulfure d’hydrogène devenait supraconducteur à - 70 °C en soumettant le matériaux à d'énormes pressions grâce à des cellules à enclumes de diamants.

Thomas Hartmann
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La réalisation n’en est pas moins importante : elle vient confirmer pour la première fois une prédiction faite en 1969 à partir de la théorie BCS, qui identifiait l’hydrogène métallique – à très haute pression – comme candidat à une supraconductivité à une température critique très élevée. Et encourage du même coup d’autres groupes à suivre cette voie. Si bien que ces dernières années une dizaine d’hydrures ont été synthétisés.

Buzz médiatiques et rétractations
Jusqu’à cette annonce exceptionnelle en mars dernier dans la revue Nature par une équipe américaine d’un composé fait d’hydrogène, de lutécium et d’azote, supraconducteur à 20,5 °C et à une pression de « seulement » 10 000 bars. Avant d'être finalement rétracté en novembre 2023 par Nature à la demande de ses auteurs principaux
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, ce résultat a ébranlé la communauté scientifique : non seulement la température ambiante était atteinte mais la pression à appliquer aurait été largement plus accessible – ces gammes de pressions étant couramment mises en œuvre dans certains procédés industriels. « Ces travaux paraissaient les plus spectaculaires de ces vingt dernières années. En montrant que la température ambiante est un objectif atteignable, ils  avaient le potentiel de relancer totalement le domaine. Mais il faut toujours rester prudent tant qu'un résultat n’a pas été reproduit ni vérifié », commente Alain Pautrat.

Ainsi, soucieuses de ne pas crier victoire trop tôt, de nombreuses équipes de par le monde se sont immédiatement penchées sur ce nouveau matériau pour tenter de le synthétiser à leur tour et de confirmer le résultat. « À ce jour, aucun des groupes qui ont reproduit l’expérience n’a observé de phase supraconductrice. C’est d’autant plus troublant que les conditions de pression sont relativement simples à mettre en œuvre », note Marie-Aude Méasson. Ce qui met en doute la découverte. D’autant que des critiques se sont élevées dans la communauté scientifique pour pointer du doigt des erreurs et des manques dans la publication. En particulier, la structure cristallographique du composé qui définit la proportion et l’organisation tridimensionnelle des atomes n’est toujours pas clairement identifiée. À cela s’ajoute le fait que cette même équipe s’était déjà vu retirer par Nature un autre article publié en 2020, lui aussi controversé, qui annonçait la découverte d’un premier hydrure supraconducteur à 15 °C.
Devant tous ces éléments, certains scientifiques n’hésitent pas à parler de fraude. Le même buzz médiatique et finalement le même genre de critiques ont entaché l’annonce tonitruante cet été de la découverte des propriétés supraconductrices à température et pression ambiante du matériau LK99 (voir encadré).

Des défauts prometteurs
Pour trancher définitivement le débat, certains chercheurs proposent une mesure bien précise. C’est le cas de Jean-François Roch et de son équipe du laboratoire Lumière-matière aux interfaces3. Le physicien exploite les propriétés quantiques des centres NV du diamant, des défauts ponctuels au sein du cristal qui se comportent comme des atomes artificiels et qui sont extrêmement sensibles aux champs magnétiques environnants. « L’idée est d’implanter ces centres NV sur la pointe des diamants qui composent les enclumes pour pouvoir mesurer l’effet Meissner dans le matériau, preuve directe de sa supraconductivité. Car jusqu’à présent, la mesure des propriétés magnétiques par des capteurs traditionnels s’est révélée extrêmement difficile dans de telles conditions de pression. Seuls les centres NV peuvent fournir une preuve de cet effet sans ambiguïté », explique Jean-François Roch. Avec son dispositif, il serait ainsi possible de vérifier la supraconductivité du dernier hydrure en date, au centre de toutes les polémiques. Et des autres hydrures également qui font actuellement l’objet d’âpres débats au sein de la communauté scientifique.


Cellule à enclumes de diamant. Une des enclumes intègre des défauts cristallins (rouge) sur la surface au voisinage de l’échantillon (bleu). Le champ magnétique appliqué à la cellule (flèches) est expulsé de l’échantillon lorsqu’il devient supraconducteur.

Margarita Lesik, LAC (CNRS/Univ. Paris Saclay)
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Mais au-delà des controverses, ces nouveaux composés représentent aujourd’hui un des meilleurs espoirs pour pouvoir atteindre la supraconductivité à température ambiante. Certes, les pressions dantesques nécessaires à l’apparition de la supraconductivité constituent encore un véritable obstacle à leur utilisation dans la vie de tous les jours. Mais pour certains, cet obstacle n’est pas insurmontable : de la même façon que le diamant qui, formé dans le manteau terrestre, conserve ses propriétés dans les conditions qui règnent en surface, il faudrait trouver des formes métastables d’hydrures, qui resteraient supraconducteurs quand on relâcherait la pression.
Les physiciens et les chimistes l’ont bien compris, eux qui travaillent main dans la main pour découvrir de nouveaux matériaux supraconducteurs par un savant mélange de théorie, de simulations numériques et en testant sans relâche de nouvelles combinaisons d’éléments. « En parallèle des efforts théoriques, la recherche en supraconductivité est souvent une affaire d’intuition, d’empirisme scientifique et de chance parfois. Tout comme la découverte des cuprates était inattendue, une surprise est toujours possible dans la quête du supraconducteur ultime », confie Alain Pautrat. La révolution est en marche. ♦    
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LK99, un candidat éconduit
Après une première annonce en mars dernier dans la revue Nature par une équipe américaine d'un matériau à base d'hydrogène, supraconducteur à température ambiante et à une pression de 10 000 bars, c'est au tour d'une équipe coréenne d'annoncer en juillet la mise au point d'un matériau supraconducteur, à température et pression ambiantes cette fois. Ce composé baptisé LK-99 fait de groupements phosphates, de cuivre et de plomb, qui bat tous les records en matière de température et de pression, est donc potentiellement révolutionnaire. Mais tout comme les travaux des chercheurs américains, ce résultat doit être pris avec une extrême prudence. Non seulement il n'a toujours pas été publié dans une revue scientifique mais aucune des tentatives d'autres groupes pour le reproduire n'a confirmé une quelconque supraconductivité.
« Les courbes de caractérisations physiques sont peu convaincantes et ne ressemblent pas à celles caractéristiques d'un matériau supraconducteur. Pour moi, ce n'est pas prometteur », juge ainsi Alain Pautrat, du laboratoire Cristallographie et sciences des matériaux4. Il ne faut donc pas crier victoire trop vite et il y a même fort à parier que ce résultat ne soit jamais confirmé. En effet, dans ce domaine où les enjeux économiques sont énormes, des annonces de supraconducteurs à température ambiante surviennent régulièrement, avant d'être démenties peu après. Sur la route vers le supraconducteur parfait, bien plus que le buzz, la patience et la véracité scientifique sont de mise. ♦
 
Notes
*         1.
Actuellement détaché au laboratoire international Frontières Quantiques (CNRS/Université de Sherbrooke).
*         2.
Unité CNRS/École nationale supérieure d’ingénieurs de Caen/Univ. de Caen Normandie.
*         3.
Unité CNRS/Univ. Paris-Saclay/ENS Paris-Saclay/ CentraleSupélec.
*         4.
Unité CNRS/École nationale supérieure d’ingénieurs de Caen/Univ. de Caen Normandie.

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