supraconductivité

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Présentation

supraconductivité, phénomène observé sur certains métaux, alliages ou céramiques, qui n’opposent pratiquement aucune résistance au passage d’un courant électrique au-dessous d’une certaine température critique.

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Phénoménologie de la supraconductivité

L’apparition de l’état supraconducteur dans un matériau en dessous de sa température critique se manifeste par deux effets spectaculaires : l’annulation de la résistance électrique (le matériau conduit l’électricité sans perte) et l’expulsion des lignes de champ magnétique (effet Meissner). L’effet Meissner permet à un supraconducteur, placé dans un champ magnétique, de léviter. D’autre part, les aimants supraconducteurs peuvent produire des champs magnétiques très intenses puisqu’ils ne sont pas affectés par leur propre champ.

Il existe deux types de supraconducteurs : les supraconducteurs de type I qui deviennent intégralement supraconducteurs à la température critique ; les supraconducteurs de type II où il subsiste des tubes de matériau à l’état normal dans une matrice de matériau dans l’état supraconducteur. Ces tubes, appelés vortex, diminuent en nombre au fur et à mesure que la température continue de baisser, jusqu’à leur disparition complète en dessous d’une deuxième température critique.

L’état supraconducteur n’est pas détruit uniquement par une augmentation de la température. On peut obtenir le même résultat en plongeant le matériau dans un champ magnétique suffisamment intense. En fait, de même qu’il existe une température critique, il existe pour chaque matériau un champ magnétique critique au-delà duquel la supraconductivité ne peut pas subsister.

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Historique

La supraconductivité est découverte en 1911 par le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes, qui remarque qu’à une température inférieure à 4,2 K (- 268,8 °C), le mercure ne présente plus aucune résistance électrique. Dans les décennies qui suivent, l’effet supraconducteur est observé sur la plupart des métaux et sur quelques composés métalliques. Une théorie phénoménologique de la supraconductivité est alors développée dans les années trente par deux physiciens allemands, les frères London ; cependant, ils ne parviennent pas à donner une description satisfaisante des mécanismes microscopiques du phénomène. La physique fondamentale de la supraconductivité n’est maîtrisée qu’à partir de 1957, lorsque les physiciens américains John Bardeen, Leon Cooper et John Schrieffer élaborent une théorie qu’ils baptisent par leurs initiales : la théorie BCS ; celle-ci leur vaut le prix Nobel de physique en 1972. Cette théorie décrit la supraconductivité comme un phénomène quantique au cours duquel les électrons de valence — électrons de la couche périphérique de l’atome — se déplacent par paires (paires de Cooper) et, de ce fait, ne rencontrent aucune résistance électrique. En 1962, le physicien britannique, Brian Josephson, étudiant la nature quantique de la supraconductivité, prédit le passage d’un courant entre deux supraconducteurs séparés par une mince couche isolante. Ce phénomène, qui sera confirmé expérimentalement par la suite, est aujourd’hui connu sous le nom d’effets Josephson.

Par la suite, les savants s’attachent à synthétiser des matériaux supraconducteurs à des températures les moins basses possibles. En effet, pour travailler à des températures proches du zéro absolu, on utilise à cette époque l’hélium liquide, un agent de refroidissement coûteux et peu performant (voir cryogénie). Par ailleurs, une exploitation à température ultra basse impose des contraintes sévères qui diminuent considérablement le rendement du supraconducteur. Jusqu’en 1986, la plus haute température critique connue est de 23,2 K (- 249,8 °C), obtenue avec le niobiure de germanium (Nb₃Ge). En outre, la théorie BCS prévoit une limite théorique maximale de la température critique de l’ordre de 35 K (environ - 238 °C). À partir des années soixante-dix, les physiciens comme les industriels se désintéressent alors d’un phénomène difficilement applicable et dont la théorie est maintenant bien connue. Mais dans les années quatre-vingt, un événement majeur va donner un second souffle à la supraconductivité : la mise au point d’un supraconducteur à haute température.

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Supraconductivité à haute température critique

En 1986, le physicien suisse Karl Müller et le physicien allemand Johannes Georg Bednorz, des laboratoires IBM de Zurich, élaborent un oxyde de lanthane, de baryum et de cuivre (LaBaCuO), supraconducteur à 35 K. Lors d’une conférence donnée dans un grand hôtel de New York, connue depuis sous le nom du « Woodstock de la physique », ils provoquent un véritable raz-de-marée dans la communauté scientifique. Leurs travaux, couronnés par le prix Nobel de physique l’année suivante, déclenchent alors une « course aux hautes températures ». Ainsi dès 1988, on parvient à fabriquer des supraconducteurs à plus de 100 K.

Ces supraconducteurs à haute température critique (SHT) sont des composés d’oxydes métalliques céramiques contenant des lanthanides. Ils peuvent être supraconducteurs à des températures suffisamment élevées pour utiliser l’azote liquide comme agent de refroidissement. À 77 K (- 196 °C), l’azote liquide refroidit en effet vingt fois plus efficacement que l’hélium liquide, alors qu’il coûte dix fois moins cher ; cela ouvre la voie à d’intéressantes perspectives d’applications industrielles. Aujourd’hui, plusieurs types de matériaux SHT sont venus s’ajouter aux céramiques : les polymères, les matériaux supramoléculaires comme les fullerènes et des alliages spéciaux de métaux de transition. Du point de vue fondamental, les SHT constituent également un défi : leurs températures critiques dépassent de loin les prévisions de la théorie BCS, et un grand nombre de recherches sont en cours pour expliquer ce type de supraconductivité. Il semblerait que l’anisotropie des SHT joue un rôle fondamental dans l’accroissement de la température critique.