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Lasupraconductivité

Lasupraconductivité,unmotmagiquepourdesphénomènesextraordinaires!Lalévitationmagnétiqueestdeloinlamanifestationlaplusspectaculaireduphénomènedesupraconductivitéavecdenosjourslaréalisationdetrainsàtrèsgrandesvitesses.

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Lasupraconductivitéc'est larésistancequasinulleauseindecertainsmétaux,alliagesoucéramiquelors du passage du courant. Les courants peuvent donc circuler sans dissipation d'énergie. Un motmagiquepourdesphénomènesextraordinaires!Lalévitationmagnétiqueestdeloinlamanifestationlaplusspectaculaireduphénomènedesupraconductivitéavecdenosjourslaréalisationdetrainsàtrèsgrandesvitesses.

UntrainMaglevàDaejeon.©BrûckeOsteuropa-CCBY-NC2.0

Aucoursdecedossier,nousretraceronsdansunpremiertemps lesgrandesétapeshistoriquesdesavancéesetdécouvertessurlasupraconductivité.Puisnoustâcheronsenabordantuneexplicationquantiqued'enexpliquerlescauses.Enfindansunedernièrepartienousprésenteronslesdifférentesapplicationspossiblesdecephénomène.

Page2/4-Découverteethistoriquedelasupraconductivité

Lasupraconductivitéfutdécouverteen1911parlephysiciennéerlandaisHeikeKamerlinghOnnes,quiremarquaqu'à une température inférieure à 4,2K (-268,8 °C), lemercure ne présentait plus aucunerésistanceélectrique.

04/07/2002-ParGuillaumeJosse



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Supraconducteurcapabledelévitation.©JulianLitzel-CCBY-SA3.0

Ce qui caractérise plus fondamentalement unsupraconducteurest sacapacitéd'exclure les lignesdechampmagnétique:sionplongeunobjetsupraconducteurdansunchampmagnétique,uncourantdesurfaceapparaîtquiproduituncontrechampmagnétiquetelquelechampmagnétiquetotalestnulàl'intérieurdel'objet.C'esten1939queW.MeissneretR.Ochsenfeldontobservéceteffet(appeléeffetMeissner)surleplomb.C'estsurl'effetMeissnerquesebaselalévitationmagnétique.

Vidéosurladécouvertedelasupraconductivitéetsesapplications.©CNRSImages/INP/UniversitéParis-Diderot

Supraconductivité:lespremièresdécouvertesquantiques

Maislaphysiquefondamentaledelasupraconductiviténefutmaîtriséequ'àpartirde1957, lorsquelesphysiciensaméricains John Bardeen, Leon Cooper et John Schrieffer élaborèrent une théorie qui leur valut le prix Nobel dephysiqueen1972: lathéorieBCS.Cettethéoriedécrit lasupraconductivitécommeunphénomènequantique.En



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1962, le physicien britannique Brian Josephson, étudiant la nature quantique de la supraconductivité, prédit lepassaged'uncourantentredeuxsupraconducteursséparésparunemincecoucheisolante.Cephénomène,quifutconfirméexpérimentalementparlasuite,estaujourd'huiconnusouslenomd'effetsJosephson.

Jusqu'à cette époque, les scientifiques étaient persuadés que tous les supraconducteurs agissaient de lamêmefaçonenprésenced'unchampmagnétique.Ilssavaientquelasupraconductivitédisparaissaitsielleétaitsoumiseà un champ magnétique plus intense qu'un certain champ critique Bc, et que la valeur de ce champ critiquedépendait de la température. Ainsi, l'objet pouvait se trouver soit dans l'état normal, soit dans l'étatsupraconducteur,selon lavaleurde la températureetduchampmagnétiqueappliqué.Aujourd'hui,onqualifie lesmatériauxsecomportantdecettefaçondesupraconducteursdepremièreespèceoudepremiertype.

Supraconducteurdepremièreespèce.©DR

Cependant,teln'estpaslecaspourtouslessupraconducteurs.En1962,undeuxièmetypedesupraconducteursaétédécouvert.Cesmatériauxdedeuxièmeespècepossèdentdeuxchampsmagnétiquescritiques(Bc1etBc2)dépendantsdelatempérature.Ainsi,ilspeuventsetrouverdanstroisétats:l'étatnormal,l'étatsupraconducteuret l'état mixte. Sous Bc1, le matériau est complètement à l'état supraconducteur. Lorsqu'il franchit ce champmagnétiquecritique, il se retrouveà l'étatmixte,c'est-à-direque le fluxmagnétiquecommenceàpénétrerdansl'objet à travers de minces faisceaux appelés vortex. Le centre de chacun des vortex est caractérisé par uneconductivité normale, et le flux les traversant est gardé constant par des boucles de courant persistant seformant sur leur circonférence. La densité des vortex augmente en proportion du champ appliqué. Si ce champdépasseBc2, lematériauatteint l'étatnormal,delamêmefaçonques'ilavaitoutrepassélatempératurecritiquesansêtresoumisàunquelconquechampmagnétiqueextérieur.



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Supraconducteurdedeuxièmeespèce.©DR

Pendant15ans, la théorieBCSapermisauxscientifiquesdebiencomprendre lemondede lasupraconductivité,doncdepouvoirprédiredespropriétésdessupraconducteursetd'élaborerdenouvellesexpériences.Parlasuite,les scientifiques s'attachèrent à synthétiser desmatériaux supraconducteurs à des températures lesmoinsbassespossibles. En effet, pour travailler à des températures proches du zéro absolu, il fallait alorsutiliser l'hélium liquide, un agent de refroidissement coûteux et peu performant. Par ailleurs, une exploitation àtempérature ultrabasse imposait des contraintes sévères qui diminuaient considérablement le rendement dusupraconducteur. Jusqu'en 1986, la plus haute température critique connue était ainsi de 23,2 K (-249,8 °C),relativeauniobiuredegermanium(Nb3Ge).

Mais,en1986,ondécouvritdansplusieurscentresderechercheetdelaboratoiresd'universitésquelescomposésd'oxydesmétalliquescéramiquescontenantdes lanthanidespouvaientêtresupraconducteursàdes températuressuffisamment élevées pour utiliserl'azote liquide comme agent de refroidissement. À 77 K (environ -196 °C),l'azoteliquiderefroiditeneffetvingtfoisplusefficacementquel'héliumliquide,alorsqu'ilcoûtedixfoismoinscher.Ainsi, lephysiciensuisseKarlMülleret lephysicienallemandJohannesGeorgBednorzélaborèrentcetteannée-làun oxyde de lanthane, baryum et cuivre, supraconducteur à 35 K. Il s'agissait du premier exemple d'un desmatériauxàhautestempératurescritiquesquel'onconnaîtaujourd'huisouslenomdecuprate.Leurstravaux,quifurent couronnés par le prix Nobel de physique l'année suivante, déclenchèrent alors une « course aux hautestempératures».En1988,onparvintàfabriquerdessupraconducteursàplusde100K.

Supraconducteurethautetempératurecritique:étatdeslieuxen2012

Àce jour, laplushautetempératurecritiqueassociéeàunsupraconducteur(obtenueen1993)atteint138K(-135°C).Enutilisantuncomposéhautementpressurisécontenantdumercureunetempératurede164Kamêmepeut-être été atteinte. Il n'existe encore aucune explication satisfaisante de la supraconductivité dans cesmatériauxmaisàl'imagedes40ansaucoursdesquelsfutpetitàpetitélaboréelathéorieBCS,lapatienceestdemise. Pour certains, la théorie BCS serait encore pertinente mais pour d'autres les paires de Cooper dans lessupraconducteursàhautes températures critiques se formeraientdu faitd'effetsmagnétiques liés aux spins desélectronsetplusgrâceauxphonons.



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Aveclessupraconducteurs,onaobtenudestempératurescritiques(enkelvins,surl'axedesordonnées)demoinsenmoinsbassesde1910à1990(enabscisse),lerecordde138Kn'apparaîtpasicicarildatede

1993.©DR

Page3/4-Supraconductivité:explicationsduphénomène

Pour expliquer le phénomène de la supraconductivité, commençons par une petite introduction dephysiquequantique!Lemotcléest :quantum!Unquantumd'énergiequicorrespondàunequantitéd'énergiedeladualitéonde–corpuscule!L'énergienepeuts'échangerqueparquanta:ladiscontinuitéestdemiseenphysique!

Oscillateuràcristal(25MHz).©Slick-Domainepublic

Lesphononssontauson, ceque lesphotonssontà la lumière!Pardéfinition, lephotonest lapluspetiteunitéd'énergie que peut posséder unmode de vibrationlumineuse, tandis que le phonon est la plus petite quantitéd'énergiequepeutposséderunmodedevibrationcristalline(vibrationdesatomesdansunsolide).

Dans un cristal (un type de solide), les atomes sont placés de manière très ordonnée. Ce sont les forcesinteratomiques qui leur confèrent leur arrangement spécifique. Ces forces jouent le même rôle que les ressortsdansunsystème«masses-ressorts».Parconséquent,siondéplace légèrementunatomedesaposition initialeetqu'onlerelâche,ilsemettraàosciller,commeunpendule.Étantdonnéquecetatomeestreliéauxautresparlesforcesélectrostatiquesquiagissententreeux,lesautresatomesducristalsemettronteuxaussiàvibrer,d'oùlenomvibrationcristalline!Ilyauraalorspropagationd'uneondededéformationdanslesolide.



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Les atomes d'un cristal forment une structure vibrante. Un courant qui circule correspond à un déplacementd'électrons. Leur propagation s'accompagne de chocs : ils rebondissent sur différents obstacles (impuretés,défautsdestructure…)etcesrebondsnonélastiquess'accompagnentd'uneperted'énergiesousformedechaleur:c'estlecélèbreeffetJoule!

ThéorieBCS

Cettethéorieestbaséesurlecouplagedesélectronsd'unmétalenpaire:lespairesdeCooper.Ellesformentunétatunique,cohérent,d'énergieplusbassequeceluidumétalnormal(électronsnonappariés).

Le problème est d'expliquer cet appariement compte tenu de la répulsion coulombienne. Dans un métal, lesélectronsinteragissentavecleréseaucristallinforméd'ionspositifs.Ceux-ciattirentlesélectronsetsedéplacentlégèrement (grande inertie). Les physiciens ont donné le nomdephonons à ces vibrations atomiquesnaturelles.Cette interaction entre les électrons et les phonons est à l'origine de la résistivité et de la supraconductivité :attirés par le passage très rapide d'un électron (10+6 m/s), les ions se déplacent et créent une zone localeélectriquementpositive.Comptetenudel'inertie,cettezonepersistealorsquel'électronestpassé,etpeutattirerun autre électron qui se trouve ainsi, par l'intermédiaire d'un phonon, apparié au précédent. Et ce malgré larépulsion coulombienne. L'agitation thermique finit par détruire ce fragile équilibre d'où l'effet néfaste de latempérature.

LathéorieBCS.©DR

La théorie quantique nous enseigne que les électrons dont le spin vaut + ou – 1/2, obéissent au principed'exclusiondePauli;ainsideuxélectronsdemêmespinnepeuventoccuper lemêmeétatd'énergieet ils'ensuitqu'ilnepeutcohabiterquedeuxélectronsparétatd'énergie.Lesétatsdebasseénergievontdoncvitesesatureret l'énergie totale du système seraplus importanteque si tous les électrons étaient dans lemêmeétat deplusbasseénergie.LapairedeCooperpermetunétatd'énergieglobalplusfaibledoncplusstable.Eneffet,celle-cisecomporte comme un boson, c'est-à-dire une particule de spin entier, par opposition aux fermions de spin demi-entiercommelesélectrons.

Celaest importantcarseules lesparticulesdespindemi-entiersontsoumisesauprinciped'exclusiondePauli.Lapaire de Cooper en tant que boson est soumise à la condensation de Bose-Einstein, un état particulier de lamatière à basse température caractérisé par la possibilité pour les bosons d'occuper en nombre illimité lemêmeétat d'énergie, le plus bas. On appelle la différence d'énergie entre lematériau supraconducteur contenant despairesdeCooperetlematériauàl'étatnormal,leGap.

Commel'agitationthermiqueaugmente,lespairesdeCooperdisparaissentetleGapdiminuejusqu'àvaloirzéro.Onestalorsàlatempératurecritiqueetlematériaupassedanssonétatnormal.LespairesdeCooper,onl'avu,sontsoumisesàlacondensationdeBose-Einstein.Cetétatparticulierauneautrepropriétédesplusintéressante:lesbosons soumis à cette condensation peuvent traverser un réseau sans rencontrer d'obstacles. Les paires deCooperpeuventainsicirculersansrencontrerlamoindrerésistance,d'oùlasupraconductivité.

Page4/4-Applicationsdesphénomènesdesupraconduction

La supraconductivité peut avoir de nombreuses applications, très prosaïques ou plus fantasmées.Voyonsiciquelques-unesdecesconcrétisationspossiblesdesphénomènesdesupraconduction.



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TestderapiditéduTransrapid09-Allemagne.©Allatka-Domainepublic

Lasupraconductivitépourlestockageetletransportd'énergie

L'idéeestdecréerdesréseauxsupraconducteursquineperdentpasd'énergiepareffetJoule!L'enjeuesttriple.

Créerdeslignesquitransportentdescourantsélevésmaisàbassetensionetsansperted'énergie.Aujourd'huileslignesdefortcourantélectriquesontàtrèshautestensionspourlimiterlespertesquidemeurentcependantimportantes.

Créerdescircuitsintégrésquiperdentpeud'énergiepareffetJouleetdoncréduireleurconsommationélectrique,cequiestimportantpourlesappareilsportatifs.

Créerdespucesélectroniquesdontlespistessontplusresserréessanscraindreleseffetsnéfastesdelachaleurdégagéeetainsiaugmenterconsidérablementlenombredetransistorsetparsuitelesperformancesdesprocesseursactuels.

Supraconductivité:lesapplicationsmédicales

Les supraconducteurs permettent de créer d'intenses champsmagnétiques dans des bobines supraconductricesnécessaires aux techniques telles l'IRM (imagerie par résonancemagnétique) ou la RMN (résonancemagnétiquenucléaire).

Supraconductivitéetlévitation

C'est sans doute l'application la plus extraordinaire ! Enphysique, la lévitation est une techniquepermettant desoustraire un objet à l'action de la pesanteur par l'intermédiaire de différents procédés électrostatiques etélectrodynamiquesouencoregrâceàunfaisceaulaser,maiségalementparmagnétisme.



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Lalévitationmiseenévidence!©DR

La lévitation est due à l'effet Meissner que nous avons vu plus haut : un supraconducteur en dessous de satempératurecritiquerepousseleslignesdechampmagnétiqued'unaimantquel'ontented'approchergrâceàdescourants surfaciquesqui induisentun champopposé.Telsdeuxaimantsque l'onessaiede rapprocher selon leurfaceidentique(NordNordouSudSud),l'aimantestrepousséau-dessusdusupraconducteur,laforcemagnétiqueinduitecompensantlaforcedepesanteuretl'aimantlévite!

Illustrationdel'effetMeissner.©DR

La Maglev lévite grâce à la force de répulsion existant entre les aimants supraconducteurs du véhicule et desbandesoubobinesconductricessituéesdans leraildeguidage.Cesaimantssont faitsd'unalliagedeniobiumetdetitane.Chacund'euxestmaintenuàunetempératureconstantede-269°C!Celapermetauxdeuxaimantsdeconserver leurétatdesupraconducteurdoncden'opposeraucune résistanceaupassageducourantélectrique.Lesaimantsseprésentent sous formedebobines regroupéesparquatredansun réservoir contenantde l'héliumliquide.Cesréservoirs,abritéspardesbogies,sontsituésentreleswagonsduMaglev.Pesantchacun1,5tonne,ilscréentsousletrainunchampmagnétiquede4,23teslas,soitunforcedelévitationde98kilonewtons!

Comme l'a montré l'expositionSupraDesign, sous réserve que l'on découvre des matériaux supraconducteurs àtempératureambiante,ilyauraitbiendesapplicationsintéressantesouspectaculairedelalévitation.IlpourraityavoirunjourunMaglevsedéplaçantdansdestubessousvideetquipermettraitdefaireletrajetKiev-Pékinen1heure.



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