Mieux comprendre la supraconductivité à "haute température"
Publié par Michel le 01/06/2007 à 00:00
Source: CNRS
Illustration: © J. Billette - CNRS 2007
Transporter de l'énergie sans aucune perte, voyager dans des trains à lévitation magnétique, faire de l'imagerie médicale (IRM) avec de tout petits appareils: des rêves qui se concrétiseront lorsque l'on disposera de matériaux supraconducteurs (1) à température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud,...) ambiante. Des chercheurs du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) ont fait un pas en avant sur la route (Le mot « route » dérive du latin (via) rupta, littéralement « voie brisée », c'est-à-dire creusée dans la roche, pour ouvrir le chemin.) qui mène à cet objectif ultime.

Ils ont mis en évidence la nature métallique d'une classe de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) supraconducteurs dits à haute température critique. Ce résultat, publié dans la revue Nature du 31 mai 2007, était attendu depuis 20 ans. Il ouvre la voie à la compréhension du phénomène et permet d'envisager sa description théorique globale.


Expérience de lévitation magnétique
Voir légende détaillée en fin d'article

La supraconductivité (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...) est un état de la matière (Bien que le concept de phase soit simple, il est difficile de le définir précisément. Une bonne définition de la phase d'un système est « une région de l'espace des paramètres thermodynamiques du...) caractérisé par une résistance électrique nulle et une imperméabilité au champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et...). Déjà utilisée dans l'imagerie médicale (L'imagerie médicale regroupe les moyens d'acquisition et de restitution d'images à partir de différents phénomènes physiques (Résonance...) par exemple (appareils d'IRM), elle pourrait avoir des applications spectaculaires dans l'acheminement et le stockage d'énergie électrique (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il effectue un travail : déplacer une charge, fournir de la lumière, calculer. Ce...) sans perte, le développement de moyens de transports (Le transport, du latin trans, au-delà, et portare, porter, est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre.) basés sur la lévitation magnétique, les communications sans fils ou encore l'ordinateur quantique (Un ordinateur quantique (ou rarement calculateur quantique) repose sur des propriétés quantiques de la matière : superposition et intrication d'états quantiques. De petits ordinateurs quantiques ont...). Mais pour l'instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré comme une durée.), ces applications sont limitées par le fait que la supraconductivité ne se manifeste qu'à très basse température. Il a d'ailleurs fallu attendre la mise au point (Graphie) de la liquéfaction (La liquéfaction est un changement d'état qui fait passer un corps de l'état gazeux à l'état liquide. Elle est la...) de l'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il ouvre la série des gaz nobles dans le tableau périodique des éléments. Son point d'ébullition...) liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) (4,2 Kelvin (Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température thermodynamique. Par convention, les noms d'unité sont des noms communs et s'écrivent en...), soit -269 °C) pour que la supraconductivité soit découverte en 1911 (découverte récompensée par le prix Nobel deux ans plus tard).

Depuis la fin des années 1980 (prix Nobel en 1987), les chercheurs ont réussi a obtenir des matériaux supraconducteurs à "haute température": l'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le gaz...) liquide (77 K, soit -196 °C) suffit à rendre certains de ces composés (à base d'oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne également l'ion oxyde O2-.) de cuivre) supraconducteurs. Le record de température critique (la température de transition de phase (En physique, une transition de phase est une transformation du système étudié provoquée par la variation d'un paramètre extérieur particulier (température, champ magnétique...).) au-dessous de laquelle la supraconductivité se manifeste) est aujourd'hui de 138 K (soit – 135 °C). Cette nouvelle classe de supraconducteurs, plus faciles et mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.) coûteux à utiliser, a relancé la course (Course : Ce mot a plusieurs sens, ayant tous un rapport avec le mouvement.) aux températures critiques, dont le but ultime est l'obtention de matériaux supraconducteurs à température ambiante. Mais les chercheurs ont jusqu'ici été limités par des questions fondamentales: quelle est l'origine de cette supraconductivité à l'échelle microscopique ? Comment les électrons se comportent-ils dans ces matériaux ?

Des chercheurs du Laboratoire national des champs magnétiques pulsés, en collaboration avec les chercheurs de Sherbrooke, ont observé des "oscillations quantiques", grâce à leur expertise dans les champs magnétiques intenses. Ils ont soumis leurs échantillons à un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique allant jusqu'à 62 Teslas (un million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999) et qui précède un million un...) de fois le champ magnétique terrestre), à très basse température (entre 1,5 K et 4,2 K). Le champ magnétique détruit l'état supraconducteur. L'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :), alors dans l'état normal, présente une oscillation (Une oscillation est un mouvement ou une fluctuation périodique. Les oscillations sont soit à amplitude constante soit amorties. Elles répondent aux mêmes équations quel que soit le domaine.) de la résistance électrique en fonction du champ magnétique. Cette oscillation est caractéristique des métaux: cela signifie que, dans les échantillons étudiés, les électrons ont le même comportement que dans les métaux usuels.

Les chercheurs vont s'appuyer sur ce résultat, attendu depuis 20 ans, pour comprendre la supraconductivité à haute température critique, qui résistait jusqu'ici à la modélisation. Cette découverte fait le ménage dans la foison de théories qui avaient vu le jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du...) pour expliquer le phénomène et apporte une base concrète (La concrète est une pâte plus ou moins dure obtenue après extraction d’une matière première fraîche d’origine...) pour établir une nouvelle théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur...). Elle permettra de concevoir des matériaux plus performants, dont la température critique se rapproche de la température ambiante.

Note: (1) matériaux qui n'offrent aucune résistance au courant électrique.

Légende de l'illustration:
Expérience de lévitation magnétique. La voiture contient deux disques de YBa2Cu3O7 un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de propriétés particulières...) supraconducteur à haute température critique refroidi à l'azote liquide. La route constituée d'aimants crée un champ magnétique qui ne peut pas pénétrer la voiture. Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) se passe comme si le champ magnétique était un très fort courant d'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les...) qui soulèverait la voiture. En l'absence de frottement (Les frottements sont des interactions qui s'opposent à la persistance d'un mouvement relatif entre deux systèmes en contact.), il suffit alors de donner une impulsion de départ à la voiture pour qu'elle avance (indéfiniment) sur la route.


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