Quantum Diaries

Le Centre de spectrométrie nucléaire et de spectrométrie de masse (CSNSM) connut une période d’excitation intense lorsque les premiers supraconducteurs à haute température critique virent le jour : entre essais infructueux et recettes magiques, Louis Dumoulin chercheur au CSNSM nous raconte cet épisode aux accents mystérieux :

Cette année 1987, le CSNSM se lançait dans la construction de l’accélérateur d’ions Aramis. Un petit groupe d’étude composé d’Harry Bernas, Jacques Chaumont et Jérôme Lesueur partit en mission aux États-Unis pour visiter les réalisations existantes de ce type d’accélérateurs. Ils passèrent notamment par les prestigieux Bell Labs.

Lorsqu’ils revinrent, ils avaient les yeux brillants et un air bizarre. Ils parlaient entre eux de manière sibylline et entendue… mais pas de faisceaux d’ions ! Ils finirent alors par nous expliquer : “Il régnait aux Bell Labs une atmosphère étrange. Les gens étaient tous très occupés et se déplaçaient furtivement. Souvent on pouvait voir des chercheurs connus ayant délaissé leurs pupitres “high tech” pour écraser minutieusement une poudre noire au pilon dans des mortiers. Même des théoriciens étaient atteints !”. Grâce à l’amitié entre Harry et Bob Dynes, directeur du département, nos trois missionnaires furent mis dans le secret : on venait de découvrir un matériau supraconducteur à 92 K, c’est-à-dire 15 K au dessus de la température d’ébullition de l’azote liquide, le Graal de tous les physiciens du domaine, une bombe scientifique et technologique… mais encore non publiée.

Nous nous précipitons sur la recette griffonnée sur un carnet. C’est incroyablement simple ! Il faut faire un mélange intime, noir en l’occurrence, de trois composés d’yttrium, de baryum et de cuivre, le fritter par pression et recuire à 800° C sous oxygène. Les ingrédients sont rapidement rassemblés car ils sont courants en chimie. À notre tour nous sommes gagnés par la fièvre de la “poudre noire” et d’aucuns ont dû se demander ce qui était arrivé à l’équipe pour ressortir les pilons et les mortiers.

Pendant plusieurs jours, c’est l’échec. Les échantillons sont plutôt isolants. Désespérés, nous tenons conseil, par hasard sur le parking. Alors passe sur sa vieille moto, venant du Laboratoire de physique des solides et rentrant chez lui, Philippe Monod. Il s’arrête. Très vite nous savons qu’il sait et réciproquement :

– Vous y arrivez ?
– Oui.
– Pas nous !
– Comment faites-vous ?
– Eh bien, après quelques heures à 800°, nous sortons l’échantillon et nous nous précipitons pour le mesurer à l’azote liquide.
– Bon ! Ce soir, vous coupez le four et vous allez vous coucher.

Puis il s’en va en pétaradant… Nous sommes sidérés. Nous sommes dans un laboratoire pluridisciplinaire, nous nous appuyons sur le Modèle standard, la mécanique quantique et même parfois la Relativité générale et nous devons respecter une sorte de pratique magique ? En humbles expérimentateurs, nous nous exécutons. La recette a l’avantage de nous éviter une nuit blanche de plus.

Le lendemain, le nouvel échantillon est monté sur le dispositif de test. Tous les acteurs sont là car chacun sent qu’il va se passer quelque-chose. Il y a même Pierre Lehmann, directeur de l’IN2P3, qui passait pour une autre raison : les grands hommes sont toujours là aux grands moments. Jean Paul Burger met des croix au crayon sur un méchant papier millimétré. Je lui dicte les couples de valeurs résistance-température. 95K… 93K… puis la résistance fléchit, puis elle décroit irrésistiblement -si j’ose dire. À 90K, elle est nulle. C’est l’enthousiasme ! Nous avons réussi ! C’est notre premier échantillon à haute température critique. Sans doute le premier dans un laboratoire de l’IN2P3. Les aimants supraconducteurs des accélérateurs fonctionneront à l’azote liquide, on mettra des panneaux photovoltaïques et des éoliennes dans les déserts où cela ne dérangera personne et on transportera l’énergie sans pertes sur des milliers de Km. Et puis nul ne doute qu’un supraconducteur à la température ambiante est pour demain !

Vingt cinq ans plus tard, les températures critiques plafonnent à 130K, les aimants fonctionnent toujours à l’hélium liquide – le LHC nous le rappelle aujourd’hui -, les panneaux solaires sont sur les toits et les éoliennes… Mais ce jour là nous rêvions : une ère nouvelle s’ouvrait en physique avec des applications fantastiques.

Mais pourquoi fallait-il attendre une nuit avant de tester l’échantillon ? Nous eûmes la réponse un peu plus tard. Le recuit à 800° sous oxygène produit la structure cristalline requise, mais conduit au composé YBa₂Cu₃O₆ qui est isolant. Le septième oxygène indispensable à la supraconductivité ne peut être introduit qu’au-dessous de 400°C avec une cinétique lente. Il faut donc passer du temps dans cette gamme de température, ce qui se fait naturellement au cours du refroidissement du four mais pas lorsqu’on sort brutalement l’échantillon.

Pour les rescapés de cette aventure, notre bien modeste – mais ô Combien réjouissant – succès est toujours associé au passage de Philippe Monod sur sa moto. L’information scientifique prend parfois des chemins imprévisibles.

— anecdote fournie par le Centre de Spectrométrie Nucléaire et de Spectrométrie de Masse (CSNSM), unité mixte de recherche du CNRS/IN2P3 et de l’Université Paris Sud, dans le cadre des 40 ans de l’IN2P3.