Imaginez un monde dans lequel les véhicules électriques flottants se chargent sans fil lorsqu'ils glissent les autoroutes, les ordinateurs portables sont des centaines de fois plus puissants et les flux d'énergie propre dans l'alimentation illimitée.
Un tel avenir, selon des experts, repose sur le développement de nouveaux supraconducteurs ou des matériaux capables de transmettre de l'électricité avec une efficacité presque parfaite. Le problème? Tous les supraconducteurs connus – des éléments purs comme le plomb, l'étain et l'aluminium à des composés exotiques comme le niobium – titanium – doivent être soumis à un froid extrême ou à une pression pour fonctionner, ce qui les rend impraticables pour une utilisation généralisée. Plus problématique encore, les scientifiques ne comprennent pas pleinement comment ces matériaux fonctionnent, ce qui rend difficile l'ingénierie de meilleures versions.
Les supraconducteurs ont déjà fait leur chemin dans les machines IRM, les accélérateurs de particules et les trains à lévitation électromagnétiques, mais ils sont extraordinairement chers et capricieux. Le véritable changeur de jeu, selon les experts, sera de trouver comment des supraconducteurs sur mesure qui sont moins chers et plus polyvalents.
Maintenant, une équipe multidisciplinaire de chercheurs de Columbia dirigée par le physicien Cory R. Dean rapproche la communauté scientifique de cet objectif. Dans une étude récente dans Natureles scientifiques ont démontré qu'un composé appelé désélénide de tungstène, qui a une structure cristalline, peut être fait pour présenter une supraconductivité lorsqu'il est tranché en feuilles seulement d'un ou deux atomes d'épaisseur puis manipulée de manière précise.
La découverte marque l'une des premières fois que les scientifiques ont induit la supraconductivité dans un matériau en modifiant sa structure à l'échelle nanométrique, offrant ainsi de nouveaux indices sur la façon de créer la prochaine génération de supraconducteurs.
Dean et ses collègues, qui comprennent un collègue physicienne de Columbia Andrew Millis et Abhay Pasupathy, avec l'ingénieur mécanique Jim Hone et le scientifique des matériaux Katayun Barmak, ont expérimenté la découverte précédente par le tungstène et l'ancien Columbia Researching Pablow d'une seule couche d'atomes de carbone – devient supraconducteur lorsqu'il est empilé et tordu à des angles particuliers.
Inspiré par la constatation de Jarillo-Herrera, Dean et ses collègues ont décidé de voir si une approche similaire pourrait fonctionner pour d'autres matériaux ultra-minces et soi-disant « bidimensionnels ».
« Une question importante était de savoir si la supraconductivité découle des propriétés uniques du graphène ou pourrait plutôt être induite en tordant toute combinaison de matériaux bidimensionnels », explique Dean.
Les chercheurs de Columbia, après avoir lutté avec du désélénide de tungstène pendant des années, ont récemment trouvé une formule gagnante: placez deux feuilles côte à côte, tournent l'un d'entre eux cinq degrés et les refroidir à -272,7 ° C, ou environ un demi-degré au-dessus de Zero absolu. Lorsque les chercheurs ont finalement appliqué une charge, les électrons ont traversé le matériau à la vitesse de la foudre – des ordres de grandeur plus rapidement qu'ils ne se déplaceraient à travers des métaux ordinaires.
La découverte de la supraconductivité dans le désélénide de tungstène, comme celle du graphène avant, n'est qu'un pas vers le plus grand objectif de concevoir des supraconducteurs plus polyvalents. Ces deux matériaux exotiques doivent encore être refroidis à des températures extraordinairement basses avant que l'électricité ne s'écoule à travers eux, ce qui signifie qu'ils ne sont pas encore des alternatives viables aux supraconducteurs actuellement trouvés dans l'équipement d'imagerie médicale et une poignée d'autres technologies avancées.
Mais la percée de Dean est considérée comme l'une des avancées les plus importantes de la science des matériaux au cours des années, fournissant de nouvelles perspectives cruciales sur le mécanisme de supraconductivité et d'optimisme alimentant que les scientifiques pourraient un jour ingénieur les supraconducteurs qui peuvent fonctionner dans des conditions plus pratiques.
« Développer un supraconducteur qui fonctionne à température ambiante est vraiment le rêve », explique Dean, ajoutant qu'un tel matériel révolutionnerait presque toutes les industries qui reposent sur l'électronique, de l'informatique et de la médecine à la production d'électricité et au transport.
« Notre découverte pourrait très bien être la clé qui fait de ce rêve une réalité. »
