La supraconductivité à température ambiante

17 décembre 1993
08m 54s
Réf. 01478

Notice

Résumé :

En 1993, l'annonce de la fabrication d'un matériau supraconducteur à température ambiante est l'occasion d'un reportage à l'Ecole Supérieure de Physique et Chimie industrielles. Deux scientifiques présentent la découverte et les futures applications.

Date de diffusion :
17 décembre 1993
Source :
France 3 (Collection: Le soir )

Contexte historique

La supraconductivité est la propriété que possèdent certains matériaux de conduire le courant électrique sans résistance, et par conséquent, sans perte d'énergie.

En 1913, le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) est récompensé par le prix Nobel de physique pour ses recherches sur les propriétés des matériaux à très basses températures. Parmi elles, il décrit en 1911 que, pour certains éléments, un changement brusque de leurs propriétés physiques se produit quand on les refroidit à des températures extrêmement basses, proches du zéro absolu, - 273 C. En particulier, la résistance électrique de ces matériaux devient inférieure à toute valeur mesurable, de sorte qu'un courant électrique continu peut y circuler sans dissipation d'énergie, donc quasi indéfiniment. On dit qu'il y a transition de l'état normal ou conducteur à l'état supraconducteur. Cette transition intervient à une température qualifiée de " critique ".

Dans un métal normal, les atomes, régulièrement disposés au sein d'un réseau, libèrent les électrons qui leur sont les moins liés. Ces électrons de conduction, peuvent se déplacer de façon assez libre à l'intérieur du métal et ainsi porter de l'énergie, le " courant électrique ". Le transport de l'énergie ne se fait pas sans perte : la " résistance " électrique. Mais dans un métal à l'état supraconducteur, tout se passe comme si les électrons se trouvaient soudainement libérés de toute interaction avec le réseau, la résistance électrique devenant nulle.

En 1950 fut émise l'idée que les électrons de conduction dans un métal pouvaient interagir entre eux par le biais du réseau atomique. De là une théorie microscopique satisfaisante de la supraconductivité est construite en 1957 : la théorie BCS, d'après les initiales de ses inventeurs : John Bardeen, Leon N. Cooper et John Schrieffer. Ces trois physiciens ont été récompensés du prix Nobel de physique en 1972. Cette théorie s'appuie sur la théorie quantique : elle propose que, dans les matériaux supraconducteurs, les électrons peuvent s'agglutiner en grand nombre dans un même état physique (condensation de Bose-Einstein) et, ainsi, ne peuvent pas perdre d'énergie par dissipation. Tout se passe comme si, pour ces particules, tous les mécanismes de perte avaient disparu.

Faisant référence à cette explication, de très nombreux physiciens étaient convaincus que le mécanisme de la supraconductivité ne permettait pas d'obtenir des températures critiques supérieures à une trentaine de kelvins. C'est pour cette raison que la découverte des Suisses Johannes Georg Bednorz et Karl Alexander Müller, en 1986, a connu un retentissement considérable : la supraconductivité était découverte dans un oxyde synthétique de cuivre, lanthane et baryum à une température critique de 35 K (- 238 C), plus élevée que toutes celles connues jusqu'alors. Une température critique supérieure à la température de l'azote liquide (77 K, soit - 196 C) fut rapidement atteinte dans un oxyde similaire. L'espoir est ainsi né de pouvoir synthétiser des supraconducteurs à température ambiante, bien qu'aucune théorie satisfaisante n'ait encore donné la clé de cette " supraconductivité à haute température ". Bednorz et Müller sont récompensés l'année suivante par le prix Nobel de physique, tandis qu'une " course aux températures critiques " commence, mobilisant de nombreux physiciens.

Après la découverte de 1993, il est apparu que les supraconducteurs ne parvenaient pas à avoir de bonnes performances pour la conduite de l'électricité. Toutefois, d'autres applications utilisent leurs propriétés magnétiques avec succès : production de forts champs magnétiques pour l'imagerie médicale (IRM) ; lévitation (train rapide Maglev).

Christelle Rabier

Éclairage média

Pour sa rubrique Sciences de l'édition du soir, la rédaction de France 3 utilise deux formats complémentaires : le reportage et le plateau, où deux images en incrustation montrent le présentateur, d'une part, et des experts, d'autre part : le directeur de l'Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles (ESPCI) et un ingénieur d'EDF, spécialisé dans la recherche et le développement. La logique du reportage est de présenter la découverte due à Michel Lagues de l'ESPCI et d'en montrer les conséquences. Outre des images de laboratoire et l'interview du chercheur, il utilise une animation qui présente de façon très sommaire la supraconductivité, avant d'évoquer les applications potentielles (conduction de l'électricité ; prix Nobel) grâce à l'illustration par des images-support. On peut souligner que les propos des images dépassent largement le commentaire : par exemple, certaines d'entre elles présentent le phénomène de lévitation dont on a tiré des applications technologiques importantes, sans que celle-ci soit évoquée par la voix off.

Contrairement au reportage, l'utilisation du plateau est plus rare : son format indique la dimension " événement " du sujet. Après une discussion sur l'organisation des équipes de chercheurs et la concurrence que se livrent les institutions de recherche dans le cadre de cette " course à la température critique ", la rédaction consacre une séquence importante à analyser les conséquences techniques et économiques de la supraconductivité, grâce à l'interview d'Antoine Bastin d'Electricité de France (EDF).

Christelle Rabier

Transcription

Eric Cachard
Science maintenant, avec la fin de l'ère glacière pour les supraconducteurs. Une équipe de chercheurs français a réalisé une première mondiale avec un matériau laissant passé l'électricité sans résistance à des températures non plus de moins 123° mais de -23° Celsius. Ce pas de géant vers la température ambiante n'a pas seulement une dimension scientifique, il ouvra la porte à de multiples applications industrielles dont le marché pourrait atteindre et dépasser 300 milliards de francs à échéance de 15 ans, explications Dominique Dumas.
Dominique Dumas
La découverte de l'équipe de Michel Lagues est un grand pas pour la science et l'humanité. Le petit élément de matériau cristallin supraconducteur élaboré dans ce laboratoire devrait révolutionner de nombreux domaines. Le principe de base est simple, l'électricité en passant dans un conducteur, le plus souvent métallique rencontre en partie une résistance traduite par un échauffement et une perte d'énergie. En 86, plusieurs chercheurs dont des Suisses étudient alors les supraconducteurs, les matériaux laissant passer l'électricité sans résistance, seul inconvénient majeur, la température obligatoire est proche du zéro absolu, autour de -270°. Toutes les recherches vont donc s'orienter vers les supraconducteurs à des températures moins froides. En octobre dernier, on annonce -123° aux Etats-Unis et dans un observatoire de Grenoble, cette fois l'Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles à Paris, on atteint -23°, autant dire une température presque normale.
Michel Lagues
Notre travail est un espèce d'art culinaire où nous devons déposer des couches atomiques les unes après les autres, dans des conditions de température, de pression, des conditions de flux atomiques extrêmement précises.
Dominique Dumas
Les applications de ces travaux seraient fabuleuses, l'électricité pourrait être stockée sans aucune perte d'énergie, enterrer des lignes ne présenterait plus de difficultés techniques. La puissance des ordinateurs ferait un bond de plusieurs générations mais déjà la course entre scientifiques, s'est engagée. Dès ce soir, des chercheurs du CNRS de Grenoble, ont annoncé que la barre du zéro degré est franchie. Le supraconducteur en température ambiante existe. Après Gilles de Gennes et Georges Charpak, la France pourrait cette année espérer un nouveau prix Nobel.
Eric Cachart
Mais Georges Charpak et Pierre Gilles de Gène qui appartiennent aussi à l'Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de Paris. Alors Jacques Lewiner, première question, à quoi attribuez-vous cette réussite exceptionnelle de votre établissement ?
Jacques Lewiner
Bon, probablement la chance a joué un rôle et je crois qu'il faut la garder à l'esprit mais je crois qu'il y a un autre facteur qui joue beaucoup, l'école est constituée de petites équipes très autonomes. Chacune à une grande vitalité, ce sont des équipes réactives et je crois d'une certaine manière, c'est la démonstration qu'il n'y a pas que les grands laboratoires qui peuvent réussir dans un domaine mais que des petites équipes, dynamiques, actives, mobiles, sont très efficaces.
Eric Cachart
Alors quels commentaires faites-vous après l'annonce ce soir et ça c'est produit vraiment vers 21h, d'une découverte encore supérieure à la vôtre qui aurait été réalisée par le CNRS à Grenoble...
Jacques Lewiner
Bien, je m'en réjouis, je m'en réjouis tout à fait parce que c'est une preuve de la vitalité de la recherche scientifique française. Dans le domaine des supraconducteurs, la France a une position de premier plan et les travaux de, qui apparaissent ce matin et aujourd'hui, ce soir, le montre, c'est donc très réjouissant. Ce sont donc deux voies qui ont été choisies par l'équipe de Grenoble et par l'équipe de l'Ecole de physique et de chimie. Dans un cas chez nous, on utilise des techniques de couches minces, dans le cas de Grenoble, on utilise des échantillons massifs. Ce sont deux voies différentes, elles sont complémentaires et je crois que l'une comme l'autre vont enrichir le domaine.
Eric Cachart
Alors la communauté scientifique évidemment se réjouit de toutes ses découvertes. Mais je crois que pour tous les téléspectateurs comprennent bien, ce qu'est la portée d'une découverte comme celle-ci, qui constitue une première mondiale. J'aimerais voir avec vous quelle porte cette découverte peut ouvrir. C'est un pas de géant, vraiment ?
Jacques Lewiner
Oui, c'est un pas de géant, si vous voulez, jusqu'à présent les supraconducteurs sont nés en 1911 et tout le monde a rêvé en 1911 devant ses propriétés merveilleuses. Brusquement, les électrons ne rencontraient plus aucune résistance dans les solides. C'était un véritable roman feuilleton qui commençait et qui allait durer pratiquement 75 ans à des températures extrêmement basses. On était autour de - 250° centigrades, température difficile à atteindre. Révolution 1986, brusquement on gagne une dizaine de degrés. Dans l'enthousiasme qui suit, il faut imaginer à ce moment, toutes les règles scientifiques habituelles bouleversées, les gens qui s'envoient des fax, des téléphones. Toute la communication qui se fait en urgence, si je puis dire. Et en quelques mois, la température gagne 10, 20, 30, 40, 90°, des quantités fabuleuses alors que pendant 75 ans, on avait gagné qu'une vingtaine de degrés.
Eric Cachart
Alors, j'aimerais moi essayer d'aller plus loin dans le chapitre des applications industrielles, Antoine Bastin. Qu'est ce qui peut changer à partir d'une découverte comme celle-ci, en évoquant évidemment, je dirais toutes les perspectives en les situant dans le temps.
Antoine Bastin
Sûrement, beaucoup de choses, les gens y croient et ils font attention. Ce qui m'a frappé, c'est que quand j'ai voulu annoncer la nouvelle à un de mes collègues en Californie. Il m'a dit tout à l'heure : Mais t'inquiète pas, j'ai déjà vu ça au petit déjeuner ce matin avec mon journal. Donc, c'est quelque chose qui marque, qui marque loin et la France marque des points. Le deuxième point, c'est que tous les scientifiques voient là, la concrétisation d'un rêve. C'est une lettre au Père Noël, ils n'osaient pas l'espérer, ça faisait longtemps qu'on en parlait, la supraconductivité à température ambiante, elle est peut-être entrain d'arriver.
Eric Cachart
Alors concrètement.
Antoine Bastin
Qu'est-ce qu'on va en faire ?
Inconnu
Voilà, qu'est-ce qu'on va en faire ?
Antoine Bastin
Alors, on va commencer par passer du stade des équipes de laboratoire que vous avez vu sur l'écran, y a 2 minutes, au stade de la bijouterie. On va commencer à en faire des millièmes de milligrammes et puis des milligrammes, et puis des petites couches, des petites quantités. On va essayer d'apprivoiser le matériau et on va en faire des composants pour les télécommunications, pour l'électronique. Ça veut dire des calculateurs moins chers, ça veut dire des télécommunications moins chers, de la télévision moins chère, tout un, toutes ces choses là moins chers.
Eric Cachart
Jusqu'au pourra t-on aller dans les applications ? Celles que vous pouvez imaginer, en tout cas, à partir d'aujourd'hui. Vu d'EDF peut-être d'ailleurs tout simplement.
Antoine Bastin
Vu d'EDF, quand on pourra faire ça au gramme, au kilo et à la tonne. On aura envie de faire des câbles. D'abord, des câbles, c'est l'objet le plus simple. Ça une forme toute simple, c'est un cylindre, même ça, ce sera difficile à faire, c'est la première des choses qu'on aura envie de faire. Quand on aura fait des câbles, on essaiera de faire des moteurs.
Eric Cachart
Faire des câbles, ça veut dire, par exemple, que les lignes à haute tension dans un futur plus ou moins proche, pourraient être enterrées ?
Antoine Bastin
Eventuellement, mais quand on dit plus ou moins proche, à la vitesse où il faut domestiquer ces matériaux, même les plus optimistes ne l'espèrent pas avant la fin du siècle. Si vous préférez, si on avait fait l'émission, le soir de la découverte du transistor, on aurait été incapable de dire clairement au-delà du fait qu'on faisait un grand pas en avant, jusqu'où ça allait aller et encore maintenant, on en finit pas d'épuiser la découverte du transistor.
Eric Cachart
Mais alors...
Antoine Bastin
C'est une aire nouvelle qui s'ouvre, on commence à rêver, on commence à ouvrir le cadeau de Noël. Jusqu'où ça va aller, ça dépendra de ce que seront les performances des matériaux, leur coût, leurs propriétés. Est-ce qu'on pourra les plier, est-ce qu'on pourra les bobiner, est-ce qu'on pourra les enrouler, est-ce qu'on pourra les martyriser de toutes les façons ? C'est ça qu'on aura envie de faire pour en faire des objets de consommation courante qui coûtent pas chers.
Eric Cachart
Alors Jacques Lewiner, ce jouet de Noël, quand même, il a déjà des premières fonctions notamment dans le domaine de l'informatique.
Jacques Lewiner
Oui.
Eric Cachart
Pour rapidement en tout cas.
Jacques Lewiner
Alors avec toute la prudence qui s'impose après quand même la première journée réellement où on a, enfin, on les a tous depuis quelques mois, que ce soit j'imagine Grenoble, que ce soit l'Ecole de physique et chimie. Mais il faut réaliser que ces matériaux ne consomment, ne dissipent aucune énergie. Ça peut sembler une remarque banale mais prenez un circuit intégré tel que ceux que vous avez dans votre télévision, dans votre montre, dans votre ordinateur portable, dans votre téléphone. Ce circuit intégré comprend un grand nombre de transistors. Chaque transistor actuellement dissipe un tout petit peu d'énergie. Lorsque vous mettez 100 000 transistors qui chacun dissipent un peu sur un petit morceau de silicium, ça vous fait beaucoup d'énergie dissipée. Le fait d'avoir des composants, potentiellement avec les supraconducteurs, qui ne dissiperont aucune énergie dans chaque élément individuel. Ça veut dire que vous allez pouvoir augmenter la quantité de ces éléments que vous mettez sur ces circuits intégrés et donc vous allez pouvoir multiplier par plusieurs ordres de grandeur, la capacité de ces circuits intégrés.
Eric Cachart
Sans chauffer ?
Jacques Lewiner
Sans chauffer et ça veut dire, à faible consommation, donc des éléments portables qui consommeront peu. Deuxièmement, des machines actuellement qui prennent un volume énorme parce qu'il faut les refroidir. On pourra les réaliser dans des volumes extrêmement réduits parce que ce problème ne se posera plus.
Eric Cachart
Alors il est difficile...