La supraconductivité est un phénomène survenant dans certains matériaux dits supraconducteurs. Il est caractérisé par l'absence de résistance électrique et l'annulation du champ magnétique à l'intérieur du matériau (effet Meissner). La supraconductivité (La supraconductivité (ou supraconduction) est un phénomène caractérisé par...) conventionnelle se manifeste à des températures très basses, proches du zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr,...) absolu (-273.15 °C).
Le phénomène fut découvert en 1911 par un étudiant en physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...), Gilles Holst, sous la direction du physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la...) néerlandais Kamerlingh Onnes (ce dernier s'étant par la suite approprié cette découverte). Il montra que la résistivité (La résistivité d'un matériau, généralement symbolisée par la lettre...) électrique du mercure devient non mesurable en dessous d’une certaine température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) appelée température critique Tc. Dans les supraconducteurs conventionnels, des interactions complexes se produisent entre les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) et les électrons libres et conduisent à l'apparition de paires liées d'électrons, appelées paires de Cooper. Ces paires se comportent comme des bosons, de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque...) égal à 0, et sont " condensées " dans un seul état quantique (En mécanique quantique, l'état d'un système décrit tous les aspects du système physique. Il...). Une caractéristique de cet état est un écoulement sans aucune résistance (superfluidité).
Il existe également d'autres classes de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...), collectivement appelés " supraconducteurs non conventionnels ", dont les propriétés ne sont pas expliquées par la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) conventionnelle. 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 (le maximum est 138 K, soit -135°C). La compréhension de l'origine microscopique de la supraconductivité dans ces matériaux permettrait probablement d'augmenter cette limite, et même peut-être d'atteindre les températures ambiantes. Malheureusement, bien que ce sujet soit, depuis près de deux décennies, considéré comme le sujet le plus important de la physique du solide, aucune théorie n'est actuellement satisfaisante.
La température de l'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de...) liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) -196 °C industriellement facile à atteindre est généralement prise en référence comme température en dessous de laquelle on entre dans les très basses températures. Une autre définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la...) fait appel à des notions de changement de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) magnétique.
Un supraconducteur est un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) qui, lorsqu'il est refroidi en dessous d'une température critique présente deux propriétés caractéristiques : résistance nulle et diamagnétisme (Le diamagnétisme est l'un des comportements de la matière lorsqu'elle est soumise à un champ...) parfait. L'existence de ces caractéristiques communes permettant de définir la supraconductivité montre qu'il s'agit d'une réelle phase thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur...). 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 (En physique, une transition de phase est une transformation du système étudié...).
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 celle-ci qui a donné son nom au phénomène.
L'effet Meissner, nommé d'après Walter Meissner qui le découvrit en compagnie de Robert Ochsenfeld en 1933, est le fait qu'un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou...) soumis à un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...) 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 (Les équations de Maxwell, aussi appelées équations de Maxwell-Lorentz, sont des lois...), dans tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) matériau dont la résistance est nulle, le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique doit rester constant au cours du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...). 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.
(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. cf. infra)
La théorie développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de...) par Ginzburg et Landau en 1950 introduit un paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte...) d'ordre complexe ψ(r) caractérisant la supraconductivité dans le cadre général de la théorie de Landau des transitions de phase du second ordre. La signification physique de ce paramètre est que est proportionnel à la densité d'électrons supraconducteurs (i.e. d'électrons constituant des paires de Cooper). Le postulat de départ de la théorie est que la densité d'énergie libre (En thermodynamique l’énergie libre F (appelée aussi "énergie libre de Helmholtz") est une...) fs peut être développée en une série du paramètre d'ordre près de la transition supraconductrice sous la forme suivante :
où fn0 est la densité d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) libre dans l'état normal en champ nul, A est le potentiel-vecteur et B est l'intensité locale de l'induction magnétique (Le phénomène d'induction électromagnétique (ou induction magnétique ou, simplement, induction)...).
Les deuxième et troisième termes sont le développement au second ordre en |ψ|2, le troisième peut être vu comme l'expression invariante de jauge ( En tant qu'instrument de mesure : Une jauge est un instrument de mesure. On trouve par...) de l'énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est...) associée aux " porteurs de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) supraconducteurs ", de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) m* et de charge q* tandis que le quatrième est simplement la densité d'énergie magnétique.
Dans l'état supraconducteur, en l'absence de champ et de gradients, l'équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement...) précédente devient :
Notons que β est nécessairement positif car sinon, il n'y aurait pas de minimum global pour l'énergie libre, et donc pas d'état d'équilibre. Si α > 0, le minimum a lieu pour ψ = 0 : le matériau est dans l'état normal. Le cas intéressant est donc celui où α < 0. On a alors, à l'équilibre, , d'où :
à compléter
Cette théorie est basée sur le couplage des électrons d'un métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des...) en paire : les paires de Cooper. Elles forment un état unique, cohérent, d'énergie plus basse que celle du métal normal, avec des électrons non appariés.
Le problème est d'expliquer cet appariement compte tenu de la répulsion coulombienne. Dans un métal, les électrons interagissent avec le réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) cristallin formé d'ions positifs. Ceux-ci attirent les électrons et se déplacent légèrement (les ions positifs ont une grande inertie). Les physiciens ont donné le nom de phonons à ces vibrations atomiques naturelles. Cette interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) 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 (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...) (106 m/s), les ions se déplacent et créent une zone locale électriquement positive. Compte tenu de l'inertie (L'inertie d'un corps découle de la nécessité d'exercer une force sur celui-ci pour modifier sa...), cette zone persiste alors que l'électron est passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble...), et peut attirer un autre électron qui se trouve ainsi, par l'intermédiaire d'un phonon (En physique de la matière condensée, un phonon (du grec ancien...), apparié au précédent. Et ce malgré la répulsion coulombienne. L'agitation (L’agitation est l'opération qui consiste à mélanger une phase ou plusieurs...) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) finit par détruire ce fragile équilibre d'où l'effet néfaste de la température.
Une particularité des paires de Cooper est que leur moment magnétique (En physique, le moment magnétique est une grandeur vectorielle qui permet de mesurer...) intrinsèque (aussi appelé "spin") est nul. En effet, les deux électrons appariés ont le même spin (1/2, spin caractéristique des fermions), mais de signe opposé ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à...). C'est la condition pour que l'énergie de la paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts...) soit inférieure à la somme des énergies des deux électrons. Ils forment alors un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) qui se comporte comme un boson (Les bosons représentent une classe de particules qui possèdent des propriétés...) (particule de spin entier obéissant la statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon....) de Bose-Einstein) : les paires se déplacent sans rencontrer la moindre résistance. D'où la supraconductivité.
La différence d'énergie entre l'état supraconducteur et l'état normal est appelée gap d'énergie. C'est l'énergie nécessaire pour passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques...) de l'état supraconducteur à l'état normal en brisant les paires de Cooper. Cette énergie tend vers zéro lorsque la température tend vers la température critique.
L'interaction électron-phonon joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les...) un rôle essentiel pour l'appariement des électrons donc pour la supraconductivité
Cette théorie a été créée avant la découverte des matériaux supraconducteurs à hautes températures critiques. Une question se pose alors : les supraconducteurs à hautes Tc contredisent-ils la théorie BCS ? Les théoriciens ne sont pas d’accord sur ce sujet. Certains sont d’avis que le couplage entre les électrons n’est plus dû au réseau (donc aux phonons), mais à d’autres interactions (électroniques, magnétiques, les deux,…). D’autres proposent des modèles entièrement nouveaux. Le sujet reste encore ouvert…
Les supraconducteurs conventionnels sont ceux qui sont bien décrits par la théorie BCS.
Les supraconducteurs non conventionnels sont les matériaux qui ont des propriétés de supraconductivité mais qui ne se conforment pas à la théorie BCS ou ses extensions.
Le premier supraconducteur non conventionnel fut découvert par Johannes Georg Bednorz (Johannes Georg Bednorz (16 mai 1950 à Neuenkirchen, Allemagne) est un physicien allemand. Il a...) et Karl Alexander Müller (Karl Alexander Müller (27 avril 1927 à Bâle en Suisse) est un physicien suisse. Il a...) en 1985. Il s'agit d'une céramique (Premier « art du feu » à apparaître (avant la métallurgie et le travail du verre),...) composée d'oxydes mixtes de baryum (Le baryum est un élément chimique de symbole Ba et de numéro atomique 56.), de lanthane (Le lanthane est un élément chimique, de symbole La et de numéro atomique 57.) et de cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre...) dont la température critique est d'environ 35K (-238°). Cette température était bien supérieure aux plus hautes températures critiques connues à cette époque (23K) ; cette nouvelle famille de matériau fut appelée supraconducteur à haute température. Bednorz et Müller reçurent en 1987 le prix Nobel de physique (Le prix Nobel de physique est une récompense gérée par la Fondation Nobel, selon les...) pour leur découverte.
Depuis lors, de nombreux autres supraconducteurs à haute température ont été synthétisés. Dès 1987, on atteignit la supraconductivité au dessus de 77K, la température d'ébullition (L’ébullition est la formation de bulles lors d’un changement violent d’un corps...) de l'azote, ce qui est très important pour les applications technologiques car l'azote liquide est bien moins onéreux que l'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il...) liquide qui devait être utilisé jusqu'alors. Exemple YBa2Cu3O7, Tc = 95 K.
La température critique record est d'environ 133K (-140°) à la pression normale et des températures légèrement plus élevées peuvent être atteintes à des pressions plus élevées. Néanmoins, il est considéré comme peu probable qu'un matériau à base de cuprate puisse atteindre la supraconductivité à température ambiante.
Toutefois, ces dernières années, d'autres supraconducteurs non conventionnels ont été découverts. Parmi ceux-ci, certains ne sont pas supraconducteurs à haute température mais sont non conventionnels selon d'autres critères (par exemple, l'origine de la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) à l'origine de la formation des paires de Cooper peut être différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des...) que celle postulée par la théorie BCS) ; mais d'autres, ayant des températures critiques inhabituellement élevées mais n'étant pas à base de cuprate ont aussi été découverts. Certains de ces derniers pourraient être des exemples de supraconducteurs conventionnels extrêmes (on suspecte que c'est le cas du diborure de magnésium (Le magnésium est un élément chimique, de symbole Mg et de numéro atomique 12.) MgB2, Tc=39K) ; d'autres ont des caractéristiques moins conventionnelles.
Le phénomène de supraconductivité a été découvert en 1911 par un étudiant en physique, Gilles Holst, sous la direction du physicien néerlandais Kamerlingh Onnes (ce dernier s'étant par la suite approprié cette découverte), durant une expérience sur la conductivité du mercure à l'état solide. Il s'aperçut que la résistance de ce métal s'annulait à 4,15 K. Pour cette découverte, il a reçu le prix Nobel de physique en 1913. Des expériences avec de nombreux autres éléments montrèrent que certains possédaient des facultés de supraconductivité, mais d'autres non :
Citons en 1913 le plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et...) à 7 K et en 1941 le nitrure de niobium (Le niobium est un élément chimique, de symbole Nb et de numéro atomique 41. C'est un...) à 16 K.
En 1933 Meissner et Ochsenfeld découvrent que les supraconducteurs repoussent le champ magnétique, un phénomène connu sous l'appellation d'effet Meissner. En 1935, les frères Fritz et Heinz London ont montré que l'effet Meissner est une conséquence de la minimisation de l'énergie libre transportée par le courant supraconducteur.
En 1950, une théorie phénoménologique dite de Ginzburg-Landau fut élaborée par Landau et Ginzburg. Cette théorie a été un succès pour expliquer les propriétés macroscopiques des supraconducteurs en utilisant l'équation de Schrödinger (L'équation de Schrödinger, conçue par le physicien autrichien Erwin Schrödinger en 1925, est...). En particulier, Abrikosov montra qu'avec cette théorie on peut prévoir qu'il existe deux catégories de supraconducteurs (appelés type I ou type II). Abrikosov et Ginzburg ont reçu le prix Nobel 2003 pour ce travail (Landau étant décédé en 1968).
C'est en 1950 que l'on constate que la température critique dépend de la masse isotopique.
Une théorie complète de la supraconductivité fut proposée en 1957 par Bardeen, Cooper, et Schrieffer. Connue sous l'appellation de leurs initiales théorie BCS, elle explique la supraconductivité par la formation de paires d'électrons (paires de Cooper) formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de...) alors des bosons interagissant avec des phonons. Pour leur travail les auteurs eurent le prix Nobel de physique en 1972.
En 1959, Gorkov montra que la théorie BCS se ramène à la théorie de Ginzburg-Landau au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la...) de la température critique d'apparition de la supraconductivité.
En 1962, les premiers fils supraconducteurs (un alliage (Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments...) de niobium-titane) sont commercialisés par Westinghouse. La même année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié...), Josephson prévoit théoriquement qu'un courant peut circuler à travers un isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes....) mince séparant deux supraconducteurs ; ce phénomène qui porte son nom : l'effet Josephson , est utilisé dans les SQUIDs. Ces dispositifs servent (Servent est la contraction du mot serveur et client.) à faire des mesures très précises de h/e, et combiné avec l'effet Hall (L'effet Hall classique a été découvert en 1879 par Edwin Herbert Hall : un courant...) quantique), à la mesure de la constante de Planck (En physique, la constante de Planck, notée h, est une constante utilisée pour...) h. Josephson a reçu le prix Nobel 1973.
En 1986, Bednorz et Müller ont découvert une supraconductivité à une température de 35 K dans des matériaux de structure perovskite de cuivre à base de lanthane (Prix Nobel de physique, 1987).
Très rapidement en remplaçant le lanthane par de l'yttrium (L’yttrium est un élément chimique, de symbole Y et de numéro atomique 39....), i.e. en produisant de l'YBa2Cu3O7, la température critique est montée à 92 K, dépassant la température de l'azote liquide qui est de 77 K. Cela est très important car l'azote liquide est produit industriellement et à bas prix et peut même être produit localement. Beaucoup de cuprates supraconducteurs ont été produits par la suite et la compréhension des mécanismes de cette supraconductivité est encore à découvrir. Malheureusement ces matériaux sont des céramiques et ne peuvent être travaillés aisément, de plus ils perdent facilement leur supraconductivité à fort champ et donc les applications se font attendre. Les recherches se poursuivent, pour diminuer la sensibilité aux champs, et pour augmenter la température critique. Après la température de l'azote liquide, atteinte, le seuil psychologique et économique est la glace (La glace est de l'eau à l'état solide.) carbonique (-80 °C).
Le 31 mai 2007, une équipe de physiciens franco-canadienne a publié dans la revue Nature une étude [1]qui, selon un communiqué du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...)[2], permettrait d'avancer sensiblement dans la compréhension de ces matériaux.
La réalisation d'électro-aimants supraconducteurs constitue certainement l’application la plus courante de la supraconductivité. On les retrouve dans les domaines :
Les SMES : Superconducting Magnet Energy Storage
Une bobine supraconductrice est connectée au réseau par l'intermédiaire d'un convertisseur alternatif-continu réversible. La bobine est alimentée par le redresseur (Un redresseur, également appelé convertisseur alternatif - continu (rectifier en anglais), est un...) qui permet de stocker de l'énergie sous la forme ½ L I2. En cas de besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est...) (défaut de la ligne) l’énergie stockée dans la bobine supraconductrice est retransférée à l'installation via l'onduleur (Un onduleur est un dispositif d'électronique de puissance permettant de délivrer des tensions et...).
La propriété de lévitation des supraconducteur peut aussi être mise à profit pour faire du stockage d'énergie. C'est le cas des accumulateurs d'énergie cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.) rotative (en anglais Flywheel). Dans ces applications, une roue (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe...) aimantée est placée en lévitation au dessus d'un supraconducteur. La roue est mise en rotation (idéalement dans le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) pour réduire au maximum les frottements) au moyen d'un moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif...) (phase de charge). Une fois la roue "chargée", elle conserve l'énergie sous forme d'énergie cinétique de rotation, avec peu de perte, puisqu'il n'y a quasiment aucun frottement (Les frottements sont des interactions qui s'opposent à la persistance d'un mouvement relatif entre...). L'énergie peut être récupérée en freinant la roue.
SMES et Flywheel sont donc deux solutions technologiques qui pourraient remplacer une batterie traditionnelle, bien que le maintien des températures cryogéniques soit énergivore.
Dans le but de réaliser la fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état...) thermonucléaire contrôlée : les tokamaks ou les stellarators sont des enceintes toriques à l'intérieur desquelles on confine des plasmas sous des pressions et à des températures considérables (1). Voir aussi le Projet ITER.