Imaginez un futur où les véhicules électriques en lévitation se rechargent sans fil en circulant sur les autoroutes, où les ordinateurs portables seraient des centaines de fois plus puissants, et où l’énergie propre serait disponible en quantité illimitée. Ce monde idéal dépend du progrès dans le domaine des supraconducteurs, des matériaux capables de transmettre l’électricité avec une efficacité quasi parfaite.
Le défi des supraconducteurs actuels
À ce jour, tous les supraconducteurs connus — qu’il s’agisse d’éléments purs comme le plomb, l’étain ou l’aluminium, ou de composés exotiques comme le niobium-titane — nécessitent des conditions extrêmes de froid ou de pression pour fonctionner. Cette contrainte limite fortement leur usage généralisé.
De plus, la compréhension scientifique des mécanismes qui régissent ces matériaux reste partielle, ce qui freine la conception de supraconducteurs plus efficaces et abordables.
Si aujourd’hui, ces matériaux sont utilisés dans des équipements de pointe tels que les appareils d’imagerie par résonance magnétique (IRM), les accélérateurs de particules ou les trains à sustentation électromagnétique, leur coût élevé et leur complexité d’emploi en limitent la diffusion.
Une percée grâce au diséléniure de tungstène
Une équipe multidisciplinaire de chercheurs de l’université de Columbia, sous la direction du physicien Cory R. Dean, s’est récemment rapprochée d’une solution prometteuse. Publiée dans la revue Nature, leur étude révèle que le diséléniure de tungstène, un composé possédant une structure cristalline, peut devenir supraconducteur lorsqu’il est découpé en feuilles d’une à deux couches atomiques et manipulé avec précision.
Cette avancée est l’une des premières à démontrer que la supraconductivité peut être induite en modifiant la structure d’un matériau à l’échelle nanométrique, ouvrant la voie à la création de supraconducteurs nouvelle génération.
Le processus expérimental et ses origines
Depuis 2020, Dean et ses collègues — dont les physiciens Andrew Millis et Abhay Pasupathy, l’ingénieur mécanique Jim Hone, et la spécialiste des matériaux Katayun Barmak — explorent les propriétés du diséléniure de tungstène. Leur recherche fait écho à la découverte antérieure du physicien du MIT Pablo Jarillo-Herrera, qui avait révélé que le graphène, un matériau constitué d’une seule couche d’atomes de carbone, devenait supraconducteur lorsqu’il est empilé et tordu selon des angles précis.
C’est en s’inspirant de ces travaux que l’équipe de Columbia s’est demandé si cette capacité pouvait être reproduite dans d’autres matériaux bidimensionnels ultra-fins.
“La question essentielle était de savoir si la supraconductivité provient des propriétés uniques du graphène ou si elle peut être induite en tordant différentes combinaisons de matériaux bidimensionnels”, explique Dean.
Une formule gagnante à très basse température
Après plusieurs années d’expérimentations, l’équipe a découvert la recette : superposer deux feuilles de diséléniure de tungstène, en faisant pivoter l’une d’elles de cinq degrés, puis refroidir le tout à environ -272,7°C — soit un demi-degré au-dessus du zéro absolu.
Lorsque les chercheurs ont injecté une charge électrique, les électrons ont circulé dans le matériau à une vitesse fulgurante, bien supérieure à celle observée dans les métaux ordinaires.
Vers des supraconducteurs plus polyvalents
La découverte de la supraconductivité dans le diséléniure de tungstène se rapproche des résultats obtenus avec le graphène, mais reste un pas parmi d’autres vers l’objectif ultime : concevoir des supraconducteurs à la fois abordables et capables de fonctionner dans des conditions moins extrêmes.
En effet, ces matériaux nécessitent encore des températures très basses pour que l’électricité circule sans résistance, ce qui les rend pour l’instant inadaptés comme alternatives aux supraconducteurs utilisés dans les dispositifs médicaux ou certaines technologies avancées.
Cependant, cette avancée est saluée comme l’une des plus importantes de ces dernières années en science des matériaux, apportant des connaissances clés sur les mécanismes de la supraconductivité et nourrissant l’espoir de développer un jour des supraconducteurs fonctionnant à température ambiante.
Un rêve à portée de main
“Mettre au point un supraconducteur fonctionnant à température ambiante est véritablement un rêve”, confie Cory R. Dean. Un tel matériau transformerait profondément tous les secteurs dépendant de l’électronique, de l’informatique et la médecine à la production d’énergie et aux transports.
“Notre découverte pourrait bien être la clé qui rendra ce rêve réalité.”