[Physique] Supraconductivité

Alors, vous avez compris ?

Je vous propose un article de wikipedia pour plus d’informations !

La supraconductivité découverte historiquement en premier, et que l’on nomme communément supraconductivité conventionnelle, se manifeste à des températures très basses, proches du zéro absolu (−273,15 °C).
La supraconductivité permet notamment de transporter de l’électricité sans perte d’énergie.
Ses applications potentielles sont stratégiques.

Dans les supraconducteurs conventionnels, des interactions complexes se produisent entre les atomes et les électrons libres et conduisent à l’apparition de paires liées d’électrons, appelées paires de Cooper.
L’explication de la supraconductivité est intimement liée aux caractéristiques quantiques de la matière.
Alors que les électrons sont des fermions, les paires d’électrons se comportent comme des bosons de spin égal à 0 nommé singulet, et sont « condensées » dans un seul état quantique, sous la forme d’un superfluide de paires de Cooper.

Un effet similaire de la supraconductivité est la superfluidité, caractérisant un écoulement sans aucune résistance, c’est-à-dire qu’une petite perturbation que l’on soumet à ce type de liquide ne s’arrête jamais, de la même façon que les paires de Cooper se déplacent sans aucune résistance dans un supraconducteur.

Il existe également d’autres classes de matériaux, collectivement appelés « supraconducteurs non conventionnels » (par opposition à la dénomination de supraconductivité conventionnelle), dont les propriétés ne sont pas expliquées par la théorie BCS.
En particulier, la classe des cuprates (ou « supraconducteurs à haute température critique »), découverte en 1986, présente des propriétés supraconductrices à des températures bien plus élevées que les supraconducteurs conventionnels.
Toutefois, ce que les physiciens nomment « haute température » reste extrêmement bas comparativement aux températures à la surface de la Terre (le maximum est , soit −140 °C), mais sont parfois au-dessus de la température de liquéfaction de l’azote en azote liquide à 77 K.

Bien que ce sujet soit, depuis le début des années 1990, un des sujets les plus étudiés de la physique du solide, en 2010 aucune théorie unique ne décrit de façon satisfaisante le phénomène de la supraconductivité non conventionnelle.
La théorie des fluctuations de spin est une des plus prometteuses et permet de reproduire beaucoup des propriétés de l’hélium 3, des fermions lourds ainsi que des cuprates.
Dans cette théorie, l’appariement se fait par échange de fluctuations de spin, toutefois aucun consensus n’est à ce jour établi.
Cette théorie pourrait également permettre d’expliquer la supraconductivité des supraconducteurs à base de fer.

Le phénomène est découvert en 1911 par le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes et son équipe composée de Gilles Holst, Cornelis Dorsman, et Gerit Flim. Kamerlingh Onnes avait réussi à liquéfier pour la première fois de l’hélium en 1908, ce qui lui avait permis de mener des mesures physiques jusqu’à des températures de 1,5 K (-271,6 °C).
Il avait alors entrepris un programme de mesures systématiques des propriétés de la matière à très basse température, en particulier la mesure de la résistance électrique des métaux.

Le 8 avril 1911, l’équipe mesure que la résistivité électrique (ou résistance électrique) du mercure devient nulle en dessous d’une certaine température appelée température critique Tc, de l’ordre de 4,2 K pour le mercure.

C’est la première observation d’un état supraconducteur, bien qu’à cette époque on pût le confondre avec un conducteur idéal.
Une rumeur attribue le mérite de la découverte au seul Gilles Holst (un étudiant de K. Onnes), mais le cahier d’expérience découvert ensuite, écrit de la main même de Kamerlingh Onnes, montre que ce dernier était bien aux commandes de l’expérience ce jour-là, Gilles Holst mesurant la résistance électrique avec un Pont de Wheatstone, Cornelis Dorsman, et Gerit Flim s’occupant des aspects de cryogénie.
Pour l’ensemble de son travail sur la liquéfaction de l’hélium et l’utilisation de l’hélium liquide, Kamerlingh Onnes reçoit le prix Nobel de physique en 1913.

Des expériences avec de nombreux autres éléments montrent que certains possèdent des facultés de supraconductivité et d’autres non : en 1922, notamment, le plomb à −266,15 °C3 ; et en 1941, le nitrure de niobium à 16 K4.

En 1933, Meissner et Ochsenfeld découvrent la seconde caractéristique de l’état supraconducteur, le fait qu’il repousse le champ magnétique, un phénomène connu sous le nom d’effet Meissner.
En 1935, les frères Fritz et Heinz London montrent que l’effet Meissner est une conséquence de la minimisation de l’énergie libre transportée par le courant supraconducteur.

En 1950 on constate que la température critique dépend de la masse isotopique.

En 1950 encore, une théorie phénoménologique dite de Ginzburg-Landau est élaborée par Lev Landau et Vitali Ginzburg.
Cette théorie explique les propriétés macroscopiques des supraconducteurs près de leur transition de phase en utilisant l’équation de Schrödinger.
En particulier, Alexei Abrikosov montre qu’avec cette théorie on peut prévoir l’existence de deux catégories de supraconducteurs (types I et II).
Abrikosov et Ginzburg recevront le prix Nobel en 2003 pour ce travail (Landau est décédé en 1968).

En 1957, un chimiste Hollandais découvre le premier supraconducteur organique-synthétique, le ditétraméthiltétrasélénofulvalinehexafluorophosphate.

Une théorie complète de la supraconductivité est proposée en 1957 par John Bardeen, Leon Cooper et John Schrieffer.
Connue sous le nom de théorie BCS (d’après leurs initiales), elle explique la supraconductivité par la formation de paires d’électrons (paires de Cooper) formant alors des bosons et permettant la condensation.
Selon cette théorie, l’appariement des électrons se fait grâce à une interaction attractive entre ceux-ci, causée par leur couplage avec les vibrations du réseau qu’on appelle phonons. Pour leur travail, les auteurs recevront le prix Nobel de physique en 1972.

En 1959, Gorkov montre que la théorie BCS se ramène à la théorie de Ginzburg-Landau au voisinage de la température critique d’apparition de la supraconductivité.

En 1962, les premiers fils supraconducteurs (en alliage de niobium-titane) sont commercialisés par Westinghouse.
La même année, Brian Josephson prévoit théoriquement qu’un courant peut circuler à travers un isolant mince séparant deux supraconducteurs.
Ce phénomène, qui porte son nom (l’effet Josephson), est utilisé dans les SQUIDs.
Ces dispositifs servent à faire des mesures très précises de h/e et, combiné avec l’effet Hall quantique, à la mesure de la constante de Planck h. Josephson recevra le prix Nobel en 1973.

En 1979, Frank Steglich confirme la présence d’une phase supraconductrice dans CeCu2Si214, un matériau constitué d’atomes magnétiques et dont les électrons sont tellement corrélés que leur masse effective atteint parfois des centaines de fois celle de l’électron libre.
Ces caractéristiques étant si différentes de celles des supraconducteurs conventionnels, une nouvelle classe est constituée : les fermions lourds. D’autres matériaux de cette famille avaient déjà été étudiés par B. T. Matthias dans les années 196015, mais sans convaincre la communauté scientifique.

En 1986, Johannes Bednorz et Karl Müller découvrent une supraconductivité à −238,15 °C dans des matériaux de structure perovskite de cuivre à base de lanthane (prix Nobel de physique 1987).
Cette découverte ravive la recherche de matériaux ayant des températures critiques de plus en plus hautes.

Très rapidement, les scientifiques remarquent que la température critique de ce matériau augmente avec la pression.
En remplaçant le lanthane par de l’yttrium, c’est-à-dire en produisant le composé YBa2Cu3O7, la température critique monte à −181,15 °C17, dépassant la température de l’azote liquide (77 K).
C’est très important car l’azote liquide est produit industriellement à bas prix, et peut même être produit sur place.
Beaucoup de cuprates supraconducteurs sont produits par la suite, mais les mécanismes de cette supraconductivité restent à découvrir.
Malheureusement, ces matériaux sont des céramiques et ne peuvent pas être travaillés aisément.
De plus, ils perdent facilement leur supraconductivité à fort champ magnétique et donc les applications se font attendre.
Les recherches se poursuivent pour diminuer la sensibilité au champ et pour augmenter la température critique.
Après la température de l’azote liquide, le second seuil économique (et psychologique) est celle de la glace carbonique, 195 K (−78,5 °C).

Le 31 mai 2007, une équipe de physiciens franco-canadienne publie dans la revue Nature une étude qui, selon un communiqué du CNRS, permettrait d’avancer sensiblement dans la compréhension de ces matériaux.

En janvier 2008, l’équipe du professeur Hosono du Tokyo Institute of Technology rapporte l’existence d’une nouvelle classe de supraconducteurs : les pnictures de type ROFeAs (où R est une terre rare) dopés avec du fluor sur le site de l’oxygène.
La température critique maximale est de −245,15 °C. Cette découverte surprend en raison de la présence de fer dans un supraconducteur ayant une aussi haute température critique. En août 2008, il semble y avoir un consensus indiquant que le fer joue un rôle majeur dans la supraconductivité de ces matériaux.
Des centaines de travaux sont publiés montrant l’enthousiasme de la communauté scientifique à propos de cette découverte.
Un certain nombre de groupes rapportent une température critique maximale de l’ordre de −217,15 °C dans le cas où R est une terre rare non magnétique.
Fin mai 2008, le groupe du professeur Johrendt, de l’université de Munich, fait état de la supraconductivité dans le composé Ba0,6K0.4Fe2As2, avec une température critique Tc de l’ordre de −235,15 °C21. Ce composé possède une structure cristallographique très proche de celle de LaOFeAs.
Cette découverte est importante car elle montre que l’oxygène ne joue aucun rôle dans le mécanisme de supraconductivité de cette nouvelle classe de supraconducteurs. Les propriétés magnétiques semblent en cause, comme pour les cuprates.

En 2014, un des supraconducteurs à base de fer qui avaient été découverts en 2009, FeSe, revient dans l’actualité.
Bien que sa faible température critique (environ 10 K) n’ait pas alors été jugée très intéressante, on se rend compte qu’en faisant croître une couche mince (d’une seule épaisseur atomique) sur un substrat de SrTiO3, on arrive à une température critique supérieure à 100 K et donc supérieure à celles de tous les autres supraconducteurs à base de fer.
Cette découverte ouvre la voie aux supraconducteurs en couches minces ainsi qu’à la synthèse de matériaux complexes.

En 2016, une température critique supérieure à 200 K est observée dans de l’hydrure de soufre.
Bien qu’apparemment due au hasard, cette découverte a en fait été prédite par le théoricien Neil Ashcroft dès 1968, sur la base de la supraconductivité conventionnelle. L’expérience a cependant nécessité l’imposition d’une très forte pression, supérieure à 50 GPa.

Un supraconducteur est un matériau qui, lorsqu’il est refroidi en dessous d’une température critique Tc, présente deux propriétés caractéristiques, qui sont :

• une résistance nulle
• un diamagnétisme parfait

L’existence de ces caractéristiques, communes à tous les supraconducteurs conventionnels, permet de définir la supraconductivité comme résultant d’une transition de phase. L’étude des variations des propriétés physiques des supraconducteurs lorsqu’ils passent dans l’état supraconducteur confirme ceci et établit que la transition supraconductrice est une véritable transition de phase.

Résistivité nulle

Câbles d’alimentation des expériences du CERN : en haut, les câbles du LEP ; en bas, les câbles du LHC, supraconducteurs (même puissance).
L’absence totale de résistance électrique d’un supraconducteur parcouru par un courant limité est évidemment leur propriété la plus connue, c’est d’ailleurs elle qui a donné son nom au phénomène.
Théoriquement, ces courants peuvent circuler indéfiniment.
En pratique, des courants circulent déjà depuis plus de 23 ans (août 2018) dans des gravimètres à supraconductivité, où une sphère de 4 g lévite dans le champ magnétique généré par une paire de bobinages supraconducteurs.

Effet Meissner

L’effet Meissner, nommé d’après Walther Meissner qui l’a découvert en compagnie de Robert Ochsenfeld en 1933, est le fait qu’un échantillon soumis à un champ magnétique extérieur expulse celui-ci lorsqu’il est refroidi en dessous de sa température critique, et ce, quel que soit son état antérieur.

D’après les équations de Maxwell, dans tout matériau dont la résistance est nulle, le champ magnétique doit rester constant au cours du temps.
Cependant, l’existence de l’effet Meissner montre que la supraconductivité ne se résume pas à l’existence d’une conductivité infinie.

Expérimentalement, on montre l’effet Meissner en refroidissant un échantillon supraconducteur en dessous de sa température critique en présence d’un champ magnétique.
Il est alors possible de montrer que le champ magnétique à l’intérieur de l’échantillon est nul, alors que pour un hypothétique conducteur parfait, il devrait être égal au champ magnétique appliqué lors de la transition.

Note : certains supraconducteurs, dits de type II, ne présentent l’effet Meissner que pour de faibles valeurs du champ magnétique, tout en restant supraconducteurs à des valeurs plus élevées