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“Mais quelle idée d’aller rechercher de la supraconductivité dans la matière organique !”

Un train japonais "en lévitation" grâce à la supraconductivité.
 

Telle est la réflexion qui m’a été faite récemment par un jeune post-doc au Laboratoire de Physique des Solides d’Orsay.

C’est effectivement une interrogation pertinente pour qui n’a pas connu l’effervescence des années 1960-1980 autour de la supraconductivité, et les réussites scientifiques françaises dans le domaine.

Acte I – La supraconduction organique1 : les événements précurseurs

Si l’imagerie médicale par résonance magnétique (IRM) est si répandue de nos jours, c’est aux matériaux supraconducteurs capables de produire des champs magnétiques à la fois très élevés et très stables dans le temps que nous le devons. Dans le domaine de l’acheminement de l’énergie électrique, c’est grâce à la supraconductivité que l’on peut réduire considérablement les « pertes » d’électricité lors de son transport au sein du réseau, et que l’on peut mieux stocker l’énergie propre (éolienne ou solaire) lors des périodes sans vent ni soleil. Même si cela peut paraître encore un peu futuriste, c’est aussi la supraconductivité qui permettrait de relier Paris à n’importe quelle ville du pays en moins de deux heures, avec des trains en lévitation magnétique comme il en existe déjà un prototype au Japon, où une liaison Tokyo-Nagoya est prévue pour 2030. Ce sont aussi des bobinages supraconducteurs qui produisent les champs magnétiques élevés permettant de contrôler la trajectoire des particules dans les accélérateurs et pour la fusion thermonucléaire (ITER), et cette liste est loin d’être exhaustive…

 

Les années 1910 : une décennie de découvertes révolutionnaires

La supraconduction est un phénomène plus que centenaire, découvert un peu par hasard par le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes, qui travaillait alors sur la résistance à l’électricité du mercure ultra-purifié. Onnes nota dans son cahier de labo d’avril 1911 une résistance pratiquement nulle2 pour le mercure à la température de -271° C, soit 3 K, ce qui à l’époque le satisfaisait pleinement3.

Un mois plus tard, reprenant cette expérience, Onnes et son collègue Holst s’aperçurent que la résistance ne baissait pas en proportion de la température, mais au contraire présentait une très forte discontinuité dès lors que la température franchissait le cap des -268,95 °C (4.2 K), au point qu’on ne pouvait plus la détecter au dessous d’un certain seuil qui est ce que l’on appelle la température de transition supraconductrice (Tc), qui dans le cas du mercure vaut 4.2 K. C’était l’acte de naissance de la supraconductivité dans les métaux4.

Cerise sur le gâteau, c’est aussi Onnes qui découvrit en 1914 que lorsque des matériaux supraconducteurs sont soumis à un champ magnétique externe, il se produit un mouvement perpétuel des électrons, propriété fondamentale pour la technologie des supraconducteurs. La supraconductivité allait être mise en évidence dans les années suivantes dans de nombreux autres métaux, avec des températures de transition plus élevées (chaque matériau possédant une température critique qui lui est propre) comme l’indique la Fig. 1.

 

Les années 1950 : les progrès théoriques

À partir des années 1950, de nombreuses applications industrielles et scientifiques ont vu le jour, notamment grâce à des alliages intermétalliques à base de Niobium, en particulier le NbTi5.

 
Fig. 1 : Diagramme de divers matériaux supraconducteurs avec leur température critique et leur année de découverte. Le signe [P] signifie que l’application d’une pression est nécessaire à l’observation d’une phase supraconductrice. Nous remercions Pascale Senzier pour avoir collecté ces résultats.
 

Les années 1950 ont aussi été celles où J. Bardeen, L. N. Cooper et J.R. Schrieffer (BCS), trois chercheurs de l’Université d’Urbana (Illinois, USA), ont publié dans la revue Physical Review ce qu’ils ont appelé la « Theory of Superconductivity », qui expliquait toutes les propriétés physiques des matériaux supraconducteurs de l’époque.

En savoir plus sur la « Théorie BCS »

Dans la « Théorie BCS », c’est l’interaction électrostatique de chaque électron avec le réseau des ions, appelée interaction électron-phonon, qui est susceptible de produire une interaction attractive entre deux charges de même signe, compensant l’énergie de répulsion électrostatique entre charges de même signe avec pour résultat la formation de paires d’électrons, des bosons de charge 2e. À température nulle, ces bosons se condensent dans un même état quantique dont l’énergie libre est inférieure à celle du gaz d’électrons libres du métal. Cet état est appelé supraconducteur car ces bosons présentent la particularité de pouvoir être déplacés sous l’effet d’un champ électrique sans rencontrer de résistance. Le gain d’énergie entre l’état supraconducteur et l’état normal diminue en augmentant la température et au dessus d’une température critique Tc c’est l’état normal qui devient le plus stable comme il est observé dans tous les matériaux mentionnés dans la Fig.1.

 

Sur le plan expérimental, le record de température critique a été établi en 1954 par des chercheurs de Bell Labs (New Jersey, USA) à 18 K (-255,15 °C), pour le composé intermétallique Nb3Sn : au-dessous de cette température, non seulement un matériau présente une résistance électrique nulle, mais il va jusqu’à expulser le flux d’un champ magnétique auquel il est soumis. C’est la caractéristique fondamentale de l’état supraconducteur d’un matériau, celle-là même qui permet la lévitation des trains : grâce à elle, un supraconducteur peut flotter librement à quelques millimètres au-dessus d’un aimant.

Pour ce qui concerne les alliages intermétalliques , il a fallu attendre encore 13 ans de plus et de nombreuses recherches expérimentales effectuées aux Bell Labs et à l’Université de Californie San Diego à La Jolla avant qu’une Tc ne soit constatée à 20 K (-253,15° C), dans une solution Nb3(Al-Ge).

L’école de Bell Labs-La Jolla en arriva donc à la conclusion empirique suivante concernant la possibilité d’augmentation des Tc, démontrant par-là à quel point ses chercheurs avaient tout misé sur ce type de supraconducteurs :

La supraconductivité à température ambiante restera toujours un rêve chimérique, mais des températures pouvant atteindre 25 à 30 K sont une possibilité réaliste et déclencheront une révolution technologique.

B. T. Matthias, Physics Today, 1971.
Une valeur maximum de Tc ?

Cette considération empirique sur les Tc fut ensuite justifiée par les calculs de structure électronique des matériaux de type A3B (A=Nb, B=Sn) effectués par l’école de Jacques Friedel à Orsay, qui ont démontré que ce sont les électrons des orbitales d des atomes de Niobium (ou Vanadium) qui sont responsables de l’état supraconducteur et suggérant l’existence d’une valeur maximum de Tc pour ces matériaux, proche de celle observée expérimentalement à l’époque.

 

Les années 1960 : repousser les limites de la température de transition

Comme on peut le voir dans la figure ci-dessus, on assiste dans les années 1960 à une stagnation dans la détermination de la Tc des supraconducteurs, due à l’absence de nouveaux matériaux. Ce ralentissement limite de fait l’utilisation de la supraconduction pour les applications technologiques de l’époque.

La valeur de la Tc devient un enjeu majeur, car la température d’utilisation d’un supraconducteur ne peut dépasser environ Tc /2. Cela signifie que, même si d’un point de vue scientifique, la Tc d’un matériau est de 20K (-253,15 °C), d’un point de vue industriel, le matériau en question doit être utilisé à une température d’environ 10K ou moins. Cela suppose un refroidissement à l’aide d’hélium liquide, une technologie délicate et coûteuse. 

Au cours de la décennie 1960, la supraconduction a commencé à être utilisée pour produire des champs magnétiques utiles aux grands projets de la physique des particules, ainsi que pour l’imagerie médicale à résonance magnétique nucléaire, qui en était alors à ses débuts. Dans ce cadre est né un besoin crucial de matériaux devenant supraconducteurs à des températures nettement plus élevées que celles des décennies antérieures, et même si possible supérieures à celle de l’azote liquide, un réfrigérant peu coûteux dont la température d’ébullition est de 77 K (-196 °C). Les théoriciens ont alors été forcés d’imaginer d’autres possibilités, tout en restant dans le cadre de la théorie BCS qui avait rencontré un succès incontesté.

C’est notamment ce qu’a suggéré W. A. Little en 1964 en prédisant des Tc 500 à 1000 fois les valeurs des Tc de l’époque en s’appuyant sur la théorie BCS qui avait établi que la température de transition dépend de la masse des atomes M selon la formule Tc ≈ M−1/2, aussi appelée effet isotopique.

En savoir plus sur l’effet isotopique

L’effet isotopique ayant été l’un des grands succès de la théorie BCS, Little a suggéré la possibilité de remplacer l’excitation électron-phonon dans la théorie BCS par une excitation électronique de molécules polarisables (des colorants) greffées sur une chaîne hydrocarbonée unidimensionnelle telle qu’une chaîne de polyènes. On pouvait ainsi s’attendre à une augmentation de Tc de l’ordre de (M/me)1/2 (où me est la masse de l’électron), soit environ 500 à 1000 fois les valeurs de Tc connues à l’époque, dépassant aisément la température ambiante, donc le Graal de la supra !

 
Fig. 2 : Une vue schématique de l’hypothétique polymère supraconducteur suggéré par Little en 1964, montrant des molécules latérales hautement polarisables greffées et censées produire une force d’attraction entre électrons afin de former sur la chaîne principale des paires d’électrons analogues à celles de la théorie BCS.
 

Comme l’on est rarement mieux servi que par soi-même, Little a organisé en 1969 à Honolulu sur ce thème des « Organic Superconductors » un symposium international réunissant de nombreux physiciens et chimistes de haut niveau, dont le lauréat du prix Nobel 1952 Felix Bloch et deux futurs lauréats, Roald Hoffman (1981) et Vitaly Ginzburg (2003).

 
Fig. 3 : Page de couverture du compte rendu de la première conférence en 1969 sur la possibilité de synthétiser des supraconducteurs organiques. Cet exemplaire est signé par Little. Il a probablement appartenu à notre collègue Catherine Tric, du Laboratoire de Physique des Solides d’Orsay, qui avait présenté son travail sur les instabilités de molécules linéaires conjuguées lors de cette rencontre.
 

Cependant, la suggestion de Little sur la manière d’obtenir une supraconductivité à haute température avec des composés organiques n’a pas fait l’unanimité. Certains, comme V. L. Ginzburg, pensaient qu’il s’agissait d’une voie prometteuse vers la supraconductivité à haute température, tandis que d’autres, comme Matthias, restaient pour le moins sceptiques :

Cette compétition entre la ferroélectricité et la supraconductivité semble être un facteur décisif dans l’exclusion de la supraconductivité des matériaux organiques.

Matthias, 1970.
 

Les années 1970 : les débuts d’un nouveau domaine en physique et en chimie

Malgré ces débats, il est admis aujourd’hui que la conférence d’Hawaï a été non seulement le point de départ de la recherche sur la supraconductivité dite « excitonique » (supposant une excitation du réseau atomique) mais aussi le début d’une étroite collaboration entre les spécialistes de la synthèse, des mesures électroniques, structurelles et magnétiques, et les théoriciens de la physique des solides, collaboration qui s’est avérée cruciale pour la supraconductivité et, plus largement pour l’électronique organique. Une étape nouvelle décisive a été franchie en 1970 lorsque Fred Wudl, avec l’équipe de chimistes de l’Université de Buffalo a publié la synthèse d’une nouvelle molécule, le TTF , qui avec ses dérivés allait jouer un rôle déterminant pour l’avenir des conducteurs, semiconducteurs et supraconducteurs organiques.

 
Fig. 4 : La molécule conjuguée planaire tetrahiafulvalene (TTF) avec ses quatre atomes de soufre en vert ou jaune, les atomes de carbone en rouge et les hydrogènes en blanc. Les nuages électroniques des atomes de carbone et de soufre contribuant à la conduction électrique pointent de part et d’autre du plan de cette molécule.
 

En effet, le TTF est une molécule planaire formée d’atomes de carbone et de soufre, qui peut facilement donner un électron à un atome ou une autre espèce moléculaire désireuse de l’accepter : c’est grâce à ce don d’électron que des métaux organiques peuvent être synthétisés et que des microcristaux comprimés peuvent atteindre une conductivité de 0.3(Ω.cm)-1, soit une valeur de plusieurs ordres de grandeur supérieure à ce qui était connu à l’époque dans la matière organique. Mais en ce tournant des seventies, l’intérêt pour les propriétés électroniques de la matière organique était vif et les chimistes et physiciens (expérimentateurs et théoriciens) n’étaient pas encore au bout de leurs (bonnes) surprises…

 

Denis Jerome

 

Ce billet est le premier d’une série de trois textes portant sur la supraconductivité organique. Les deuxième et troisième billets seront prochainement publiés !


Crédits

Image de couverture : Maglev train at speed on test track, par Yosemite, 2005, CC BY-SA 3.0 (source: Train à sustentation magnétique, Wikipédia).


Notes

  1. La matière organique est celle fabriquée par les végétaux ou animaux par opposition à la matière minérale dont font partie les roches et les métaux et alliages. Les plastiques utilisés communément sont des composés organiques. []
  2. L’absence de résistance fut d’abord attribuée à un court-circuit, hypothèse écartée après modification du dispositif de mesure. []
  3. Alors qu’une température de zéro degré Celsius [0° C] définit le point de passage de l’eau d’un état liquide à un état solide (la glace), le zéro absolu Kelvin [0 K] est la température à laquelle les mouvements des atomes seraient totalement figés. Elle équivaut à -273,15 °C. Kamerlingh Onnes pensait que la résistance du mercure ultra pur pouvait atteindre une valeur nulle au zéro absolu d’une manière continue, comme le prédisait la théorie de Drude. []
  4. Il serait donc illusoire d’utiliser un supraconducteur pour se réchauffer par temps froid puisque sa résistance électrique est nulle… []
  5. Le NbTi est un matériau relativement peu onéreux, facile à tréfiler, utilisé dans la fabrication de câbles de bobinages supraconducteurs capables de produire des champs magnétiques jusqu’à 10 Teslas. []

OpenEdition vous propose de citer ce billet de la manière suivante :
Denis Jerome (30 septembre 2025). “Mais quelle idée d’aller rechercher de la supraconductivité dans la matière organique !” Vie des sciences. Consulté le 9 mai 2026 à l’adresse https://doi.org/10.58079/14reh


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