La recherche sur les supraconductivité avance rapidement malgré les controverses autour de déclarations remarquables.

Avec ses affirmations audacieuses sur les supraconducteurs à température ambiante révolutionnaires, le physicien Ranga Dias de l'Université de Rochester à New York a propulsé le domaine de la physique des hautes pressions sous les feux de la rampe.

Maintenant, après deux rétractations d'articles et des accusations de plagiat, il y a un voile de suspicion autour de Dias, et certains physiciens craignent que les personnes extérieures ne soupçonnent que tout le domaine est en désordre. "Le risque majeur est que toute cette affaire ... jette une lumière négative sur ce domaine", explique la physicienne théoricienne Lilia Boeri.

Mais d'autres recherches sur les supraconducteurs à haute température sont solides, affirment de nombreux chercheurs. Plusieurs groupes ont reproduit des résultats clés, et les calculs théoriques concordent avec les expériences du monde réel. Les physiciens étudient de nouvelles classes de supraconducteurs et confirment les prédictions théoriques. L'espoir est que de tels progrès graduels conduiront finalement les scientifiques vers un supraconducteur plus pratique.

"La chose triste est qu'il y a beaucoup de bons travaux en cours dans le domaine, mais cette [controversée] a attiré tellement d'attention", déclare Boeri, de l'Université de Rome Sapienza.

Pour renforcer davantage la légitimité scientifique de leurs affirmations, les scientifiques développent maintenant de nouvelles façons d'identifier la supraconductivité, débattent des normes qui doivent être respectées avant de pouvoir revendiquer avoir atteint la supraconductivité et discutent de nouvelles normes concernant le partage des données.

Les travaux, selon les scientifiques, pourraient aider les chercheurs à contrer toute future affirmation douteuse de supraconductivité, ce qui n'est pas rare en physique. "Nous reconnaissons tous que notre domaine court le risque d'être rejeté par la communauté scientifique plus large à cause de tous les faux positifs", explique le physicien théoricien Peter Hirschfeld de l'Université de Floride à Gainesville.

Avec la capacité de conduire l'électricité sans résistance, les supraconducteurs promettent de transformer la technologie moderne, à condition qu'ils puissent fonctionner à des températures et des pressions adaptées à une utilisation quotidienne. Cette possibilité alléchante suscite un engouement peu commun dans le domaine généralement ésotérique de la recherche en physique.

La première affirmation sur la supraconductivité époustouflante du groupe de Dias est survenue en 2020. Alors que la plupart des supraconducteurs doivent être refroidis à très basse température pour fonctionner, un matériau composé de carbone, de soufre et d'hydrogène est resté supraconducteur jusqu'à 15 ° Celsius (59 ° Fahrenheit), ont rapporté Dias et ses collègues dans Nature.

Ce matériau, comme bon nombre des supraconducteurs à température élevée, devait être soumis à des pressions élevées, ce qui signifiait qu'il n'était pas réalisable pour une utilisation pratique. Cependant, il s'agissait apparemment de la première démonstration d'un supraconducteur à température ambiante depuis longtemps recherché.

Mais après que d'autres scientifiques ont émis des doutes sur les données et les méthodes, Nature a rétracté l'article, malgré les protestations de Dias et des autres auteurs.

En mars, l'équipe de Dias est revenue avec une affirmation encore plus grande. Un matériau composé de lutécium, d'azote et d'hydrogène supraconducteur à température ambiante et sous des pressions beaucoup plus proches de la pression atmosphérique, ont-ils rapporté dans Nature.

Pendant ce temps, les sceptiques se sont penchés sur l'histoire de Dias, accusant un plagiat généralisé dans sa thèse de doctorat, selon une analyse rapportée dans un article de presse dans Science. Les recherches ont également signalé un article de 2021 auquel Dias a coécrit dans Physical Review Letters, ou PRL, sans rapport avec les deux articles de Nature sur la supraconductivité. Une enquête menée par PRL a révélé des preuves de falsification des données, a rapporté Nature en juillet. Avec l'accord de tous les auteurs, sauf Dias, PRL a rétracté l'article le 15 août.

Interrogé sur la rétractation, Dias a affirmé dans un e-mail qu'il "n'y a eu aucune falsification de données, manipulation de données ou autres inconduites scientifiques en rapport avec notre travail".

S'exprimant sur cette controverse, un porte-parole de l'université de Rochester a affirmé que Dias faisait actuellement l'objet d'une enquête.

En pleine controverse, les personnes extérieures pourraient imaginer que tout le domaine est suspect, explique le physicien Mikhail Eremets de l'Institut Max Planck de chimie de Mainz, en Allemagne. "Mais en réalité, ce n'est pas du tout le cas, car d'autres personnes ... font vraiment du bon travail, excellent et très bien confirmé".

La physique des hautes pressions est très spécialisée, et les expériences qui réussissent dans un laboratoire peuvent être difficiles à reproduire ailleurs. Mais un consensus s'est peu à peu formé autour de plusieurs supraconducteurs aux performances exceptionnelles.

La recherche porte sur des matériaux riches en hydrogène appelés hydrures. Ce choix a été inspiré par une prédiction selon laquelle l'hydrogène pur deviendrait un métal supraconducteur lorsqu'il serait soumis à une pression extrême. Étant donné que ces pressions se sont révélées difficiles à atteindre, les scientifiques ont ajouté d'autres éléments à l'hydrogène dans l'espoir de réduire la pression nécessaire.

Le premier grand succès était un composé de soufre et d'hydrogène, qui a battu le record à l'époque pour le supraconducteur à plus haute température (SN: 12/15/15). Il supra-conduit jusqu'à environ 203 kelvins (−70° C), ont rapporté Eremets et ses collègues dans Nature en 2015. Ensuite, en 2018, les scientifiques ont couronné le détenteur actuel du record (en excluant le travail de Dias), un composé de lanthane et d'hydrogène, qui supra-conduit jusqu'à environ −20° C (SN: 9/10/18).

Dans les deux cas, plusieurs groupes ont confirmé les résultats. Et les calculs théoriques confirment que les matériaux sont supraconducteurs à ces hautes températures. Néanmoins, les deux supraconducteurs exigent une pression plus d'un million de fois celle de l'atmosphère terrestre, limitant leur utilité pratique. D'autres supraconducteurs à haute température, comme l'hydrure d'yttrium, ont également été reproduits par plusieurs groupes.

En revanche, les physiciens ont du mal à reproduire de manière concluante le supraconducteur au lutécium du groupe Dias, ou à trouver une explication théorique convaincante à ce sujet. Associé aux rétractations précédentes, cela laisse de nombreux chercheurs sceptiques. “Je ne fais absolument confiance à aucun résultat de ce groupe”, déclare le physicien Dmitrii Semenok du Centre de recherche avancée en sciences et technologie à haute pression de Beijing.

Dans un courriel, Dias balaye les inquiétudes, affirmant que "si les gens ont du mal à reproduire mon travail, ce n'est pas surprenant - tout le monde ne sera pas capable de faire ce qui m'a pris des années pour réaliser".

À la lumière des rétractations et des échecs de reproduction, de nombreux physiciens estiment que d'autres développements dans le domaine méritent davantage leur attention.

Un sujet brûlant concerne les hydrures ternaires, des matériaux dans lesquels l'hydrogène est combiné à deux éléments supplémentaires au lieu d'un seul. En explorant les nombreuses combinaisons possibles d'éléments dans le tableau périodique, les physiciens espèrent trouver de nouveaux supraconducteurs qui fonctionnent à des pressions plus faibles et à des températures plus élevées que les hydrures étudiés jusqu'à présent (SN: 3/19/21).

En juin, des scientifiques ont signalé le premier exemple d'un hydrure ternaire avec une toute nouvelle structure d'atomes, jamais observée dans des hydrures binaires précédents. Fait de lanthane, de béryllium et d'hydrogène, le matériau était supraconducteur jusqu'à environ 100 kelvins (environ −173° C), rapportent les chercheurs dans un article publié dans PRL. Ce n’est pas un record en soi. Mais le matériau nécessite moins de pression que certains autres hydrures, explique le physicien Yanming Ma de l'université de Jilin à Changchun, en Chine. “Nous avons le premier exemple. Ensuite, plus tard, peut-être que les gens s'appuieront sur notre travail”.

Dans un autre développement récent, les physiciens ont bouclé une énigme vieille de dix ans. Un supraconducteur prédit en 2012, l'hydrure de calcium, a finalement été produit, ont rapporté deux équipes indépendantes en 2022 dans PRL et Nature Communications. C'était le premier supraconducteur à base d'un hydrure prédit avec une structure “clathrate”, dans laquelle les atomes d'hydrogène forment une cage autour d'un autre type d'atome.

Cette structure clathrate a depuis été trouvée dans d'autres supraconducteurs à haute température, y compris celui qui détient un record accepté, l'hydrure de lanthane. La découverte de l'hydrure de calcium "est un très beau succès", déclare la physicienne théoricienne Eva Zurek de l'Université de Buffalo à New York. "Des exemples comme celui-ci vont à l'encontre de l'affirmation selon laquelle tout le domaine fait un travail médiocre".

Jusqu'à présent, les hydrures nécessitent toujours une forte pression pour supra-conduire. "Il est très difficile de réduire la pression de ces hydrures à des conditions ambiantes", explique le physicien théoricien Hanyu Liu de l'Université de Jilin.

Certains physiciens vont au-delà de l'hydrogène. Le physicien Timothy Strobel remplace d'autres éléments légers. Il étudie des clathrates faits non pas avec de l'hydrogène mais avec du bore et du carbone - les cinquième et sixième éléments du tableau périodique.

Dans de tels matériaux, "nous nous attendrions à une supraconductivité à température modérément élevée, mais pas aussi élevée que pour l'hydrogène", explique Strobel, de l'Institution Carnegie pour la Science à Washington, D.C.

Mais ce compromis pourrait en valoir la peine. Avec de tels matériaux, les scientifiques espèrent trouver des structures suffisamment solides pour persister à la pression atmosphérique. C'est similaire à la forme la plus flashy du carbone, le diamant, qui se forme sous pression mais reste intact une fois que la pression est relâchée. Dans un article publié en janvier dans le Journal of the American Chemical Society, Zurek, Strobel et leurs collègues prédisent que certaines variantes de ces matériaux pourraient être des supraconducteurs à des températures allant jusqu'à 88 kelvins (environ -185° Celsius) sous une pression atmosphérique.

That might seem low in comparison to the high-pressure hydrides. But temperatures above 77 kelvins (about −196° C), the boiling point of liquid nitrogen, are more easily achievable in practical use, because costly liquid helium isn’t required for coolant. In contrast, high pressures are currently prohibitive for practical purposes. Reaching ambient pressure may be more important than room temperature, Strobel argues.

In parallel to investigating new superconductors, high-pressure physicists are also discussing how to avoid controversies in their field in the future.

Some are calling for more sharing of raw data, with the intent of making claims easier to check and experiments easier to replicate. Semenok, for example, posts raw data online for most of his papers. Other physicists in the field find the idea appealing. “This really should be standard for major journals,” Eremets says. “In our age, why not?”

While Dias’ group provided data associated with their lutetium superconductor paper in Nature, that hasn’t satisfied other scientists. “In my mind, basically none of the data that’s been uploaded is raw data,” says physicist James Hamlin of the University of Florida in Gainesville. “Raw data is a data file that was created by your measurement software on the day of the measurement and then not touched after that point.” The Dias team’s data doesn’t fit that bill, Hamlin says.

Physicists are also working to strengthen the evidence for superconductivity in their materials. It’s not all about resistance, or lack thereof. Superconductors exhibit other hallmarks. One telltale sign is the Meissner effect, in which a material expels magnetic fields. This and other effects can help confirm that the superconductivity is real.

But high-pressure experiments involve mere specks of material squeezed between two diamonds. Making clear measurements of the Meissner effect and other hallmarks of superconductivity can be difficult under such conditions.

So scientists are coming up with additional ways to confirm superconductivity. For example, when certain types of superconductors are exposed to a magnetic field and the magnetic field is later switched off, a residual magnetic field remains trapped within the superconductor. In a June paper in Nature Physics, Eremets and colleagues reported measurements of trapped magnetic fields in both the sulfur and lanthanum hydrides, further solidifying the case for their superconductivity.

Some physicists are also calling for a set of criteria that scientists would be expected to meet before claiming to have found a new superconductor. “There should be some general standard of what one should prove to claim superconductivity,” Boeri says.

Besides measuring a dramatic drop in resistivity, Hirschfeld suggests requiring other markers of superconductivity, such as showing that a magnetic field lowers the temperature below which a material becomes a superconductor. Several other measurements would be required for the scientific community to accept the result, with the results confirmed by independent groups.

Despite efforts to bolster superconductor research, spurious claims of room-temperature superconductivity will probably be challenging to eliminate. “It’s not something rare; it happens from time to time,” Semenok says. The allure of the room-temperature superconductor looms large.  

Case in point — a purported room-temperature, ambient-pressure superconductor called LK-99, reported prior to peer review at arXiv.org in July, went viral on social media. Further scientific investigation soon mostly debunked the claim.

As for Dias, his lutetium-based superconductor still stands in the scientific record — for now. After researchers raised concerns about the paper, Nature began looking into it. “We are currently assessing concerns that have been raised with us, but we cannot discuss the specifics of those concerns relating to any particular paper while such post-publication assessments are underway,” a spokesperson for Nature said.

The paper now bears a cautionary editor’s note. The reliability of the paper’s data, it says, is in question.

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