Supraconductivité

En 1911, au cours d’une étude sur les propriétés de la matière à très basse température, le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes et son équipe découvrent que la résistance électrique du mercure devient nulle en dessous de 4,2 K (-269°C) : le phénomène de supraconductivité est observé pour la première fois. La plupart des éléments chimiques deviennent supraconducteurs à suffisamment basse température.

Supraconducteurs, héros malgré des zéros

En dessous d’une certaine température dite critique, un matériau peut passer à l’état supraconducteur, il se caractérise alors par deux propriétés spécifiques. Premièrement il n’oppose plus aucune résistance au passage d’un courant électrique. Sa résistivité tombe à zéro et le courant peut circuler dans le matériau sans dissipation d’énergie. Deuxièmement un champ magnétique extérieur suffisamment faible ne peut pas pénétrer à l’intérieur du supraconducteur, il reste seulement à sa surface. Ce phénomène d’expulsion est nommé effet Meissner, du nom du physicien qui l’observa la première fois en 1933.

Trois noms, trois lettres, une théorie incomplète

L’état supraconducteur ne peut pas être expliqué par la physique classique ni même par la théorie quantique élémentaire de l’état solide, qui traite séparément le comportement des électrons et des ions du réseau cristallin. C’est seulement en 1957 que trois chercheurs américains - John Bardeen, Leon Cooper et John Schrieffer  - établissent la théorie microscopique de la supraconductivité. D’après cette théorie nommée BCS, les électrons se regroupent par deux, par interaction avec les vibrations du réseau (les « phonons »), formant ainsi des « paires de Cooper » qui peuvent se déplacer sans frottement au sein du solide. De façon imagée, le matériau est constitué d’un réseau d’ions positifs baigné dans un gaz d’électrons. Au passage d’un électron, les ions se déplacent légèrement attirés par la charge négative de l’électron. Ce déplacement génère une zone électriquement positive qui attire à son tour un autre électron. L’interaction entre les électrons est faible et ne résiste pas à l’agitation thermique, c’est pourquoi de très basses températures sont nécessaires à la supraconductivité. Cependant la théorie BCS ne permet pas d’expliquer l’existence de supraconducteurs à « haute température » autour des 80 K (soit -193°C) et au-delà, pour lesquels d’autres mécanismes de couplage entre électrons doivent être invoqués.

Type I ou II, différents états

L’état supraconducteur peut être détruit par augmentation de la température et/ou du champ magnétique appliqué, qui pénètre dans le matériau en détruisant l’effet Meissner. De ce point de vue, il existe deux types de supraconducteurs. Les matériaux de type I restent à l’état supraconducteur uniquement pour des champs magnétiques appliqués relativement faibles. Au-delà d’une valeur limite, le champ pénètre brutalement et détruit la supraconductivité dans l’ensemble du matériau. À l’inverse les supraconducteurs de type II tolèrent une pénétration locale du champ magnétique, ce qui leur permet de conserver un caractère supraconducteur en présence de champs magnétiques intenses. Ce comportement s’explique par l’existence d’un état mixte, dans lequel le matériau peut présenter à la fois des zones supraconductrices et des zones normales. Les supraconducteurs de type II ont permis d’utiliser la supraconductivité à des champs magnétiques élevés, rendant possible, entre autres, la réalisation d’aimants pour les accélérateurs de particules.

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