Nouvelle pièce

La percée pourrait un jour transformer les technologies qui utilisent l'énergie électrique, mais elle vient d'une équipe confrontée à des doutes après un article rétracté sur les supraconducteurs.

Un diamant, placé dans une cellule d'enclume de diamant sous un microscope, pour une utilisation dans des expériences de supraconductivité dans un laboratoire de l'Université de Rochester dirigé par Ranga P. Dias.Credit...Lauren Petracca pour le New York Times

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De Kenneth Chang

Dans le cadre du reportage de cette histoire, Kenneth Chang a visité un laboratoire de l'Université de Rochester à New York où de nouveaux matériaux supraconducteurs sont étudiés.

Les scientifiques ont annoncé cette semaine une avancée alléchante vers le rêve d'un matériau capable de transporter sans effort de l'électricité dans des conditions quotidiennes. Une telle percée pourrait transformer presque toutes les technologies utilisant l'énergie électrique, ouvrant de nouvelles possibilités pour votre téléphone, les trains à lévitation magnétique et les futures centrales électriques à fusion.

Habituellement, le flux d'électricité rencontre une résistance lorsqu'il se déplace dans les fils, presque comme une forme de friction, et une partie de l'énergie est perdue sous forme de chaleur. Il y a un siècle, les physiciens ont découvert des matériaux, maintenant appelés supraconducteurs, où la résistance électrique a apparemment disparu comme par magie. Mais ces matériaux ne perdaient leur résistance qu'à des températures surnaturelles et ultra-froides, ce qui limitait les applications pratiques. Pendant des décennies, les scientifiques ont cherché des supraconducteurs qui fonctionnent à température ambiante.

L'annonce de cette semaine est la dernière tentative dans cet effort, mais elle provient d'une équipe qui fait face à un large scepticisme car un article de 2020 qui décrivait un matériau supraconducteur prometteur mais moins pratique a été rétracté après que d'autres scientifiques ont remis en question certaines des données.

Le nouveau supraconducteur est composé de lutétium, un métal de terre rare, et d'hydrogène avec un peu d'azote mélangé. Il doit être comprimé à une pression de 145 000 livres par pouce carré avant d'acquérir ses prouesses supraconductrices. C'est environ 10 fois la pression exercée au fond des fosses les plus profondes de l'océan.

Mais c'est aussi moins d'un centième de ce qu'exigeait le résultat de 2020, ce qui s'apparentait aux forces écrasantes trouvées à plusieurs milliers de kilomètres de profondeur dans la Terre. Cela suggère que d'autres recherches sur le matériau pourraient conduire à un supraconducteur qui fonctionne à des températures ambiantes ambiantes et à la pression atmosphérique habituelle de 14,7 livres par pouce carré.

"C'est le début d'un nouveau type de matériau utile pour les applications pratiques", a déclaré mardi Ranga P. Dias, professeur de génie mécanique et de physique à l'Université de Rochester à New York, devant une salle remplie de scientifiques lors d'une réunion de l'American Physical Society à Las Vegas.

Un compte rendu plus complet des découvertes de son équipe a été publié mercredi dans Nature, la même revue qui a publié, puis rétracté les découvertes de 2020.

L'équipe de Rochester a commencé avec une petite feuille mince de lutétium, un métal blanc argenté qui fait partie des éléments de terres rares les plus rares, et l'a pressée entre deux diamants imbriqués. Un gaz composé à 99 % d'hydrogène et à 1 % d'azote a ensuite été pompé dans la minuscule chambre et pressé à haute pression. L'échantillon a été chauffé pendant une nuit à 150 degrés Fahrenheit, et après 24 heures, la pression a été relâchée.

Environ un tiers du temps, le processus produisait le résultat souhaité : un petit cristal bleu vif. "Le dopage de l'azote dans l'hydrure de lutétium n'est pas si facile", a déclaré le Dr Dias.

Dans l'une des salles de laboratoire de l'Université de Rochester utilisées par le groupe du Dr Dias, Hiranya Pasan, une étudiante diplômée, a démontré la surprenante propriété de changement de teinte du matériau lors de la visite d'un journaliste la semaine dernière. Au fur et à mesure que les vis se resserraient pour augmenter la pression, le bleu s'est transformé en une teinte rougissante.

"Il est très rose", a déclaré le Dr Dias. Avec des pressions encore plus élevées, dit-il, "ça passe au rouge vif".

Faire briller un laser à travers les cristaux a révélé comment ils vibrent et a déverrouillé des informations sur la structure.

Dans une autre pièce, d'autres membres de l'équipe du Dr Dias effectuaient des mesures magnétiques sur d'autres cristaux. Lorsque les températures ont chuté, les gribouillis attendus sont apparus dans les données tracées sur un écran d'ordinateur, indiquant une transition vers un supraconducteur.

"Il s'agit d'une mesure en direct que nous effectuons en ce moment", a déclaré le Dr Dias.

Dans l'article, les chercheurs ont rapporté que les cristaux roses présentaient des propriétés clés des supraconducteurs, comme une résistance nulle, à des températures allant jusqu'à 70 degrés Fahrenheit.

"Je suis prudemment optimiste", a déclaré Timothy Strobel, un scientifique de la Carnegie Institution for Science à Washington qui n'a pas participé à l'étude du Dr Dias. "Les données dans le papier, ça a l'air super."

"Si cela est réel, c'est une percée vraiment importante", a déclaré Paul CW Chu, professeur de physique à l'Université de Houston, qui n'a pas non plus participé à la recherche.

Cependant, la partie "si" de ce sentiment tourbillonne autour du Dr Dias, qui a été poursuivi par des doutes et des critiques, et même des accusations de quelques scientifiques selon lesquelles il a fabriqué certaines de ses données. Les résultats de l'article Nature 2020 n'ont pas encore été reproduits par d'autres groupes de recherche, et les critiques disent que le Dr Dias a mis du temps à laisser les autres examiner ses données ou effectuer des analyses indépendantes de ses supraconducteurs.

Les éditeurs de Nature ont rétracté l'article précédent l'année dernière malgré les objections du Dr Dias et des autres auteurs.

"J'ai perdu une certaine confiance dans ce qui vient de ce groupe", a déclaré James Hamlin, professeur de physique à l'Université de Floride.

Néanmoins, le nouvel article a réussi le processus d'examen par les pairs de la même revue.

"Le retrait d'un article n'empêche pas automatiquement un auteur de soumettre de nouveaux manuscrits", a déclaré une porte-parole de Nature. "Tous les manuscrits soumis sont considérés indépendamment sur la base de la qualité et de l'actualité de leur science."

Lors de la conférence de mardi à Las Vegas, tant de physiciens se pressaient dans une salle de réunion étroite qu'un animateur a demandé à certains de partir pour ne pas avoir à annuler la présentation. Une fois la salle éclaircie, le Dr Dias a pu présenter ses découvertes sans interruption. En remerciant la foule, le modérateur a regretté qu'ils aient manqué de temps pour les questions.

Le Dr Strobel a reconnu la controverse persistante autour du Dr Dias et les affirmations extraordinaires antérieures qui n'ont pas encore été reproduites.

"Je ne veux pas trop en dire, mais il pourrait y avoir un modèle de comportement ici", a déclaré le Dr Strobel. "Il pourrait vraiment être le meilleur physicien des hautes pressions au monde, sur le point de remporter le prix Nobel. Ou il se passe autre chose."

La supraconductivité a été découverte par Heike Kamerlingh Onnes, un physicien néerlandais, et son équipe en 1911. Non seulement les supraconducteurs transportent l'électricité avec une résistance électrique pratiquement nulle, mais ils possèdent également l'étrange capacité connue sous le nom d'effet Meissner qui garantit un champ magnétique nul à l'intérieur du matériau.

Les premiers supraconducteurs connus nécessitaient des températures à seulement quelques degrés au-dessus du zéro absolu, soit moins 459,67 degrés Fahrenheit. Dans les années 1980, les physiciens ont découvert des supraconducteurs dits à haute température, mais même ceux-ci sont devenus supraconducteurs dans des conditions bien plus glaciales que celles rencontrées dans l'utilisation quotidienne.

La théorie standard expliquant la supraconductivité prédit que l'hydrogène devrait être un supraconducteur à des températures plus élevées s'il pouvait être comprimé suffisamment fort. Mais même les diamants les plus résistants se cassent avant d'atteindre des pressions de cette ampleur. Les scientifiques ont commencé à étudier l'hydrogène mélangé à un autre élément, supposant que les liaisons chimiques pourraient aider à comprimer les atomes d'hydrogène.

En 2015, Mikhail Eremets, physicien à l'Institut Max Planck de chimie de Mayence, en Allemagne, a rapporté que le sulfure d'hydrogène - une molécule composée de deux atomes d'hydrogène et d'un atome de soufre - devenait supraconducteur à moins 94 degrés Fahrenheit lorsqu'il était pressé à environ 22 millions de livres par pouce carré. C'était une température record pour un supraconducteur à l'époque.

Le Dr Eremets et d'autres scientifiques ont découvert par la suite que l'hydrure de lanthane - un composé contenant de l'hydrogène et du lanthane - atteignait une température supraconductrice de moins 10 degrés Fahrenheit à des pressions ultra-élevées.

Dans la recherche décrite dans l'article rétracté de 2020, le groupe du Dr Dias a utilisé de l'hydrogène, du soufre et du carbone. Avec trois éléments, ont déclaré les scientifiques, ils ont pu ajuster les propriétés électroniques du composé pour atteindre une température supraconductrice plus élevée.

Cependant, tout le monde n'y croyait pas.

Le principal antagoniste du Dr Dias est Jorge Hirsch, un physicien théoricien de l'Université de Californie à San Diego. Il s'est concentré sur les mesures que le groupe du Dr Dias avait faites de la réponse du composé carbone-soufre-hydrogène aux champs magnétiques oscillants, preuve de l'effet Meissner. L'intrigue dans l'article semblait trop nette et les scientifiques n'ont pas expliqué comment ils avaient soustrait les effets de fond de l'intrigue.

Lorsque le Dr Dias a publié les données brutes sous-jacentes, a déclaré le Dr Hirsch, son analyse a indiqué qu'elles avaient été générées par une formule mathématique et ne pouvaient pas être réellement mesurées dans une expérience. "A partir d'une mesure, vous n'obtenez pas de formules analytiques", a déclaré le Dr Hirsch. "Vous obtenez des chiffres avec du bruit."

Ses plaintes à propos du Dr Dias sont devenues si persistantes et stridentes que d'autres dans le domaine ont fait circuler une lettre se plaignant des décennies de comportement perturbateur du Dr Hirsch.

Le Dr Hirsch est un anticonformiste qui s'attaque à la théorie BCS, qui a été conçue en 1957 par trois physiciens - John Bardeen, Leon N. Cooper et J. Robert Schrieffer - pour expliquer le fonctionnement de la supraconductivité. BCS, dit-il, peut à bien des égards, "être fondamentalement défectueux", incapable d'expliquer l'effet Meissner. Il a trouvé sa propre explication alternative.

Notamment, le Dr Hirsch a dit qu'il ne peut y avoir de supraconductivité dans aucun de ces matériaux à haute pression car l'hydrogène ne peut pas être un supraconducteur. Il a gagné peu d'alliés.

Alors que le Dr Hirsch prend soin de dire que les scientifiques autres que le Dr Dias ne commettent pas d'inconduite, il dit qu'ils se font des illusions.

"À mon avis, les déchets deviennent des conclusions", a-t-il déclaré.

Le Dr Hamlin de l'Université de Floride s'est également penché sur les mesures magnétiques et a déclaré qu'il semblait davantage que les données brutes avaient été dérivées des données publiées et non l'inverse.

Le Dr Hamlin a également été troublé lorsqu'il a découvert que plusieurs passages de sa thèse de doctorat, rédigée en 2007, étaient apparus, mot pour mot, dans la thèse du Dr Dias.

Le Dr Dias rejette les critiques persistantes et affirme que son groupe a fourni des explications. "J'avais juste l'impression que c'était juste un bruit de fond", a-t-il déclaré. "Nous essayons de continuer à faire avancer notre science."

Il a dit qu'il s'en tenait toujours aux résultats précédents et que l'article de mercredi employait une nouvelle technique pour les mesures magnétiques. Il a déclaré que le document avait fait l'objet de cinq séries d'examens minutieux par les examinateurs et que toutes les données brutes sous-jacentes aux conclusions étaient partagées.

"Il est de retour dans la nature", a déclaré le Dr Dias. "Alors ça vous dit quelque chose."

Sara Miller, porte-parole de l'Université de Rochester, a déclaré qu'après deux enquêtes universitaires, "il a été déterminé qu'il n'y avait aucune preuve à l'appui des préoccupations". Elle a également déclaré que l'université avait "examiné la question de la rétractation de septembre 2022 de l'article de Nature et était parvenue à la même conclusion".

À propos de la copie du texte de la thèse de doctorat du Dr Hamlin, le Dr Dias a déclaré qu'il aurait dû inclure des citations. "C'était mon erreur", a déclaré le Dr Dias.

Une préimpression reprenant les mesures du matériau carbone-soufre-hydrogène du papier rétracté de 2020 circule maintenant, mais même cela soulève des questions. "Ils sont très différents des mesures originales", a déclaré le Dr Strobel. "On pourrait dire qu'ils n'ont même pas reproduit les résultats eux-mêmes."

Parce que le nouveau matériau à base de lutétium est supraconducteur à des pressions beaucoup plus basses, de nombreux autres groupes de recherche pourront tenter de reproduire l'expérience. Le Dr Dias a déclaré qu'il voulait fournir une recette plus précise sur la façon de fabriquer le composé et de partager des échantillons, mais les problèmes de propriété intellectuelle doivent d'abord être résolus. Il a fondé une entreprise, Unearthly Materials, qui prévoit de transformer la recherche en profits.

Le Dr Strobel a déclaré qu'il commencerait à travailler dès son retour de la conférence de Las Vegas. "Nous pouvons avoir un résultat littéralement en un jour", a-t-il déclaré.

Le Dr Hirsch a également déclaré qu'il s'attendait à ce que les réponses arrivent rapidement. "Si c'est vrai, cela prouve que mon travail des 35 dernières années est faux", a-t-il déclaré. "Ce dont je serais très heureux, car je le saurais."

Le Dr Hirsch a ajouté: "Mais je pense que j'ai raison et que c'est faux."

Kimberley McGee a contribué aux reportages de Las Vegas.

Une version antérieure de cet article déformait la pression à laquelle un matériau devient un supraconducteur. C'est 145 000 livres par pouce carré, pas 14 500.

Une version antérieure de cet article citait de manière erronée Jorge Hirsch. Le Dr Hirsch a déclaré que la théorie BCS pourrait "être fondamentalement erronée". Il n'a pas dit que c'était "un mensonge".

Comment nous gérons les corrections

Kenneth Chang est au Times depuis 2000, écrivant sur la physique, la géologie, la chimie et les planètes. Avant de devenir écrivain scientifique, il était un étudiant diplômé dont les recherches portaient sur le contrôle du chaos. @kchangnyt

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