Liaison, 14 juin 2007

Découverte majeure sur les supraconducteurs

PIERRE MASSE et CAROLINE DUBOIS

Une équipe de chercheurs de l'Institut canadien de recherches avancées dirigée par le professeur Louis Taillefer, de la Faculté des sciences, a résolu un mystère qui perdurait depuis 20 ans quant à la nature d'une classe de matériaux dits exotiques : les supraconducteurs à haute température. Cette découverte fondamentale majeure a été publiée le 31 mai dans le magazine Nature et a suscité l'intérêt de la presse scientifique tant francophone qu'anglophone.

Les supraconducteurs sont des matériaux qui conduisent l'électricité sans résistance. Ils sont extrêmement prometteurs sur le plan de la technologie, notamment pour le transport d'énergie, les trains à sustentation magnétique, l'imagerie médicale magnétique, les communications sans fil, l'informatique quantique et de nombreuses autres applications connexes. Jusqu'à présent, les scientifiques n'ont pu exploiter le plein potentiel de ces matériaux parce que des questions fondamentales demeuraient sans réponse, comme de savoir si ces matériaux sont des métaux ou des isolants.

En France l'hiver dernier, les chercheurs ont mené une expérience au Laboratoire national des champs magnétiques pulsés de Toulouse avec des cristaux supraconducteurs créés par des chercheurs de l'Institut canadien de recherches avancées à l'Université de Colombie-Britannique (UBC). L'équipe du professeur Taillefer a alors pu observer un phénomène appelé «oscillations quantiques» dans un supraconducteur à haute température, ce qui prouve hors de tout doute que ces matériaux sont des métaux.

Lors d'une conférence de presse au centre des sciences de Montréal – haut lieu de vulgarisation scientifique – le professeur Taillefer a raconté que cette découverte est assurément la plus importante de sa carrière. «Les résultats sont très clairs, indique-t-il. Les supraconducteurs à haute température ont été découverts en 1987, et c'est seulement maintenant que nous disposons de données concrètes sur leur véritable nature. Grâce à cette découverte, les théoriciens et les expérimentateurs pourront travailler sur du tangible.» Louis Taillefer a tenu à souligner l'apport des étudiants et stagiaires de son équipe de Sherbrooke, cosignataires de l'article : «Les chanceux! C'est mon plus bel article et pour certains d'entre eux, c'est leur premier! Venez à l'avant-scène que je vous présente Nicolas Doiron-Leyraud, Jean-Baptiste Bonnemaison et David LeBoeuf.»

La rencontre réunissait les responsables des organismes qui ont appuyé ces recherches, dont les représentants de l'Institut canadien de recherches avancées et ceux de l'UdeS. «Les recherches menées par le professeur Louis Taillefer contribuent à défricher un passionnant nouveau domaine, celui de la supraconductivité, a déclaré le recteur Bruno-Marie Béchard. Par son sens de l'innovation et son leadership, l'UdeS attire des experts de réputation internationale, comme Louis Taillefer. Ces experts font équipe avec d'autres universitaires et chercheurs reconnus et modifient littéralement le cours de l'humanité en réalisant des percées scientifiques exceptionnelles.»

Haute température?

Malgré leur nom, les supraconducteurs à haute température doivent être refroidis à des températures inférieures à -100 °C pour pouvoir fonctionner, ce qui nécessite d'énormes systèmes calorifiques. Les scientifiques s'efforçaient d'augmenter la limite de température maximale, mais n'y arrivaient pas en raison du manque de connaissances sur la nature des matériaux.

À partir de cette découverte, les chercheurs s'efforceront de trouver des façons d'augmenter la limite de température maximale, dans le but ultime d'obtenir la supraconductivité à température ambiante. Si ces matériaux n'ont plus besoin d'être surfondus, cela veut dire que les appareils IRM pourront, par exemple, passer de la taille d'une remise de jardin à celle d'un ordinateur portable. Un médecin pourrait alors intervenir dans certaines régions qui ne possèdent pas l'équipement.

Avec des câbles supraconducteurs, la transmission de l'électricité ne connaîtrait pas les pertes importantes subies avec les conducteurs résistants actuels. Et si les chercheurs parviennent à comprendre le comportement des électrons dans les supraconducteurs aussi bien que dans les semi-conducteurs, les retombées seront illimitées en ce qui concerne la prochaine génération d'ordinateurs. Nous passerons des ordinateurs classiques aux ordinateurs quantiques dont la puissance est presque incroyable.

À entendre le professeur Taillefer, la réussite de ce tour de force était un jeu d'enfant : une dose d'intuition, de bonnes idées, de l'audace et un peu de chance. «Pour voir la signature de l'oscillation quantique, il fallait simplement que le signal soit plus important que le bruit, explique-t-il. Nous avons donc demandé à l'équipe de la UBC de fournir un cristal supraconducteur ultrapur que nous avons placé à très basse température pour avoir l'effet supraconducteur le plus important. Ensuite, pour être capables d'observer l'oscillation quantique, nous avons eu l'idée de minimiser tous les signaux parasites en tuant la supraconductivité par un champ magnétique ultra-intense de plus d'un million de fois le champ magnétique terrestre. Finalement, un détecteur très sensible placé au cœur du dispositif a permis de mesurer les propriétés électriques du matériau.»

Pour Louis Taillefer, la supraconductivité est aux matériaux ce que le laser est à l'ampoule électrique. Un peu comme les photons des lasers que l'on contrôle très bien, la cohérence du comportement des électrons dans les supraconducteurs permet de les piloter finement. Cette propriété permettra des révolutions scientifiques et techniques aussi inimaginables que l'était Google il y a 50 ans. Faisant référence aux enfants présents au Centre des sciences, le chercheur a conclu la conférence en pariant que les prémices de l'ère quantique pourraient être accessibles à leur génération avant d'être adultes.

La course aux supraconducteurs à haute température est maintenant lancée pour toute la communauté scientifique, ce qui pousse Louis Taillefer à réaliser d'autres avancées : «Je ne devrais pas être là avec vous, mais dans mon labo!»

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