L'ABC de
la supraconductivité
En 1911, le physicien néerlandais Heike Kamerlingh-Onnes a découvert, en
refroidissant le mercure à 4,11 K, que sa résistance électrique chute
brutalement à une valeur extrêmement faible: il devient supraconducteur.
La résistivité d'un matériau à l'état supraconducteur est nulle, à
l'intérieur d'une marge d'erreur au moins1012 fois plus petite
que la resistivité typique d'un métal. La température en deça de laquelle
un matériau est supraconducteur est appelée température critique et
notée Tc. Depuis 1911, des propriétés supraconductrices ont été
découvertes sur plusieurs autres matériaux, chacun ayant sa propre
température critique. L'élément simple ayant la température critique la
plus élevée est le niobium, qui passe à l'état supraconducteur à 9,26 K.
Avant 1986, le Nb3Ge était reconnu comme étant le matériau
supraconducteur avec la plus haute Tc, soit 23,3 K.
Les supraconducteurs peuvent conduire parfaitement le courant électrique,
sans perte d'énergie. Beaucoup d'applications pratiques de la
supraconductivité reposent sur cette propriété, en fait toutes celles qui
reposent sur l'utilisation d'électro-aimants supraconducteurs, qui peuvent
produire de fort champs magnétiques sans apport constant d'énergie (à
l'exception de celle nécessaire pour maintenir le matériau sous sa
température critique). Mais là n'est pas l'essentiel. Ce qui caractérise
plus fondamentalement un supraconducteur est sa capacité d'exclure les
lignes de champ magnétique: si on plonge un objet supraconducteur dans un
champ magnétique, un courant de surface apparaît qui produit un contre
champ magnétique tel que le champ magnétique total est nul à l'intérieur de
l'objet. C'est en 1939 que W. Meissner et R. Ochsenfeld ont observé cet
effet (appelé effet Meissner) sur le plomb. C'est sur l'effet
Meissner que se base la lévitation magnétique.
Plusieurs années passèrent avant qu'une explication microscopique de la
supraconductivité voit le jour. En 1956, Leon Cooper a montré que dans un
solide, les électrons peuvent s'attirer mutuellement pour former ce que
l'on nomme une paire de Cooper. Cela n'est cependant possible que s'ils
sont assez éloignés l'un de l'autre pour que leur interaction avec les
phonons (vibrations du réseau cristallin, voir l'article du numéro 9 de
l'Attracteur à ce sujet) prime sur leur répulsion coulombienne
(électrique). L'amplitude de la force attractive engendrée entre les
électrons d'une paire de Cooper par les phonons décroît avec
l'augmentation de la température. L'année suivante, John Bardeen,
Leon Cooper et Robert Schrieffer ont développé la théorie
BCS en se basant sur les paires de Cooper. Ils trouvèrent que les
électrons, pour s'apparier, doivent avoir des quantités de mouvement et
des spins opposés. De plus, ils montrèrent qu'il n'y a qu'à 0 K et en
l'absence de champ magnétique externe et de courant électrique interne
que les électrons sont tous appariés. Dans le cas contraire, une
proportion non nulle des électrons sont célibataires. Notons que les
électrons d'une paire de Cooper sont distants d'au moins
10-6 m, soit près de 200 fois la distance interatomique.
Dans un conducteur ordinaire, la tension appliquée communique aux
électrons une quantité de mouvement qui est transmise au réseau cristallin
par le biais des collisions entre les électrons et les phonons. Ainsi,
l'énergie fournie par le champ électrique est dissipée en vibrations
thermiques. Les paires de Cooper, elles, ne peuvent céder de l'énergie aux
phonons, car ceci demanderait aux électrons de la paire un passage vers un
autre état quantique, état quantique heureusement inaccessible en raison de
sa trop grande énergie en comparaison de celle de la paire de Cooper.
Jusque dans les années soixante, les scientifiques étaient persuadés que
tous les supraconducteurs agissaient de la même façon en présence d'un
champ magnétique. Ils savaient que la supraconductivité disparaît si elle
est soumise à un champ magnétique plus intense qu'un certain champ critique
Bc, et que la valeur de ce champ critique dépend de la
température. Ainsi, l'objet pouvait se trouver soit dans l'état normal,
soit dans l'état supraconducteur, selon la valeur de la température et du
champ magnétique appliqué. Aujourd'hui, on qualifie les matériaux se
comportant de cette façon de supraconducteurs de première espèce ou
de premier type. Cependant, tel n'est pas le cas pour tous les
supraconducteurs. En 1962 un deuxième type de supraconducteurs a été
découvert. Ces matériaux de deuxième espèce possèdent deux champs
magnétiques critiques (BC1 et BC2) dépendants de la
température. Ainsi, ils peuvent se trouver dans trois états : l'état
normal, l'état supraconducteur et l'état mixte. Sous BC1, le
matériau est complètement à l'état supraconducteur. Lorsqu'il franchit ce
champ magnétique critique, il se retrouve à l'état mixte, c'est-à-dire que
le flux magnétique commence à pénétrer dans l'objet à travers de minces
faisceaux appelés vortex. Le centre de chacun des vortex est caractérisé
par une conductivité normale, et le flux les traversant est gardé constant
par des boucles de courant persistant se formant sur leur circonférence.
La densité des vortex augmente en proportion du champ appliqué. Si ce champ
dépasse BC2, le matériau atteint l'état normal, de la même façon
que s'il avait outrepassé la température critique sans être soumis à un
quelconque champ magnétique extérieur.
Pendant 15 ans, la théorie BCS a permis aux scientifiques de bien
comprendre le monde de la supraconductivité, donc de pouvoir prédire des
propriétés des supraconducteurs et d'élaborer de nouvelles expériences.
Mais cette histoire ne s'arrête pas là. Avec l'entrée en scène des
supraconducteurs à haute température critique, en 1986, l'étude de la
supraconductivité a connu un essor fulgurant. Cela commença par l'oxyde
Ba-La-Cu-O qui avait une température critique de 34 K. Mais ce record fut
rapidement battu quelques mois plus tard par le Y-Ba-Cu-O à 92 K puis par
le Tl-Sr-Ca-Cu-O avec ses 125 K en 1988. Avec ces nouveaux composés
supraconducteurs, le plus important est que nous n'avons plus besoin de
les refroidir avec de l'hélium liquide (4 K), car l'azote liquide (77 K)
suffit! Ce nouveau mode de refroidissement comporte plusieurs avantages.
Présent en grande quantité dans l'atmosphère, l'azote, contrairement à
l'hélium, ne coûte rien. Liquifié, l'azote se manipule plus aisément que
l'hélium. Cependant, plus chaud ne veut pas nécessairement dire plus
performant. Effectivement, le courant critique pouvant circuler dans ce
type de supraconducteur est décevant. Le courant critique est le courant
au-delà duquel la force induite par lui est supérieure à la force
d'attachement des vortex, donc ces derniers commencent à se déplacer en
créant une certaine résistance dans le matériau, qui perd alors ses
propriétés supraconductrices (les supraconducteurs à haute température
critiques sont tous de deuxième espèce). De plus, le bruit électronique
associé à ces supraconducteurs peut être un obstacle à la réalisation de
certains appareils, qui se contenteront d'une température critique plus
faible au profit d'une meilleure précision. Ainsi, même si des
supraconducteurs à haute température existent, leurs usages demeurent
restreints. À ce jour, la plus haute température critique reproductible
associée à un supraconducteur atteint 164 K (-109 C), et ce en utilisant
du mercure hautement pressurisé. Enfin, il n'existe encore aucune
explication satisfaisante de la supraconductivité dans ces matériaux, mais
comme on a dû attendre 40 ans avant la naissance de la théorie BCS pour
expliquer la supraconductivité ordinaire, les 15 années écoulées depuis la
découverte des supraconducteurs à haute température ne doivent pas nous
décourager!
Finalement, même si les supraconducteurs à haute température
ne sont pas d'aussi bonne qualité et précision que les supraconducteurs
conventionnels, leur découverte a été d'une grande importance dans
l'histoire de la supraconductivité. Avant elle, dans les années
1970, plusieurs disaient que les avancements étaient devenus impossibles
dans le domaine de la supraconduction. Mais ils s'étaient trompés. Aujourd'hui,
le même discours est repris, mais qui sait si le rêve d'un supraconducteur à
la température ambiante ne se réalisera?
Marie-Christine Gosselin j
Bibliographie
- BENSON, Harris, Physique
3: Ondes, optique et physique moderne (2e
édition), Saint-Laurent, Éditions du Renouveau Pédagogique
Inc., ©1999, p. 340-346.
- KRESIN, Vladimir Z. et Stuart A. WOLF, Fundamentals
of superconductivity, New York, Plenum Press, 1990,
230 p.
- http://www.lema.phys.univ-tours.fr/materiaux/Supra/IndexSupra.htm
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