Des chercheurs de l'Université de Penn State ont créé une nouvelle approche computationnelle pour identifier des matériaux qui pourraient présenter une supraconductivité à des températures plus élevées, révolutionnant potentiellement la transmission d'énergie. La méthode intègre la théorie classique avec la mécanique quantique en utilisant la théorie de zentropy. Cette avancée vise à surmonter les limitations des supraconducteurs actuels qui nécessitent des températures extrêmement basses.
Les supraconducteurs, des matériaux qui conduisent l'électricité sans résistance, offrent un potentiel immense pour des systèmes de puissance efficaces mais sont entravés par le besoin de conditions cryogéniques. Une équipe dirigée par Zi-Kui Liu, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à Penn State, a développé un modèle pour prédire la supraconductivité dans des matériaux qui pourraient fonctionner à des températures proches de l'ambiante. Soutenue par le programme Basic Energy Sciences du Département de l'Énergie des États-Unis, la recherche relie la théorie de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS)—qui explique la supraconductivité à basse température par l'appariement des électrons via des phonons—à la théorie de la fonctionnelle de densité (DFT), un outil basé sur la mécanique quantique pour modéliser le comportement des électrons.
L'innovation réside dans la théorie de zentropy, qui combine mécanique statistique, physique quantique et modélisation computationnelle pour relier la structure électronique d'un matériau à ses propriétés dépendantes de la température. Cela permet de prédire la température critique à laquelle la supraconductivité apparaît ou disparaît. « L'objectif a toujours été d'élever la température à laquelle la supraconductivité persiste », a déclaré Liu. « Mais d'abord, nous devons comprendre exactement comment la supraconductivité se produit, et c'est là que notre travail intervient. »
En utilisant cette approche, l'équipe a prédit avec succès le comportement supraconducteur à la fois dans des matériaux conventionnels à basse température et à haute température, y compris des cas non expliqués par la théorie BCS traditionnelle. Ils ont également identifié un potentiel de supraconductivité dans des métaux comme le cuivre, l'argent et l'or, bien que seulement à des températures très basses. Liu a comparé le processus à la création d'une « superautoroute réservée aux électrons », où les électrons appariés voyagent sans résistance, à l'image de l'Autobahn.
L'étude, coécrite par la professeure de recherche Shun-Li Shang, a été publiée dans Superconductor Science and Technology (2025 ; 38(7) : 075021). Ensuite, les chercheurs prévoient d'explorer les effets de la pression sur la supraconductivité et de cribler une base de données de cinq millions de matériaux pour de nouveaux candidats. « Nous n'expliquons pas seulement ce qui est déjà connu », a ajouté Liu. « Nous construisons un cadre pour découvrir quelque chose de entièrement nouveau. » Si réalisé, les supraconducteurs à température ambiante pourraient transformer la technologie énergétique mondiale en permettant une transmission d'électricité sans pertes.