Un peu de physique...

Supraconductivité

La supraconductivité a été découverte par Heike Kamerling Onnes en 1911. En étudiant les propriétés des matériaux à des températures proches du zéro absolu, Il constata que la résistance électrique du mercure devenait nulle en dessous de 4,2 K. Dans les années qui suivirent le même phénomène fut démontré pour le plomb en dessous de 5,5 K et pour le nitrure de Niobium en dessous de 16 K. On a donné le nom de supraconductivité à cette propriété. La température en dessous de laquelle elle se manifeste est appelée température critique.

En 1933, Walther Meissner découvrit une autre propriété des matériaux supraconducteurs. Lorsqu'il est soumis à un champ magnétique et qu'il est refroidi en dessous de sa température critique, un matériau supraconducteur expulse ce champ magnétique (la valeur du champ magnétique à l'intérieur de l'échantillon considéré devient nulle). C'est l'effet Meissner. L'effet Meissner est spectaculaire : le matériau qui expulse le champ magnétique semble léviter au-dessus de l'aimant responsable de ce champ !

Théorie BCS

La supraconductivité est longtemps restée une énigme pour les scientifiques. Il fallut attendre près de 50 ans pour que John Bardeen, Leon Cooper et John Schrieffer percent le mystère et proposent une théorie microscopique de la supraconductivité (théorie BCS).

Les atomes d'un réseau cristallin ne sont pas immobiles. Ils oscillent du simple fait de l'agitation thermique. Si l'on considère un atome pris isolément, il est couplé aux autres atomes du réseau par des forces électrostatiques. Si on considère les différents modes d'oscillation de cet atome, il est possible de déterminer l'équation de propagation de ces oscillations sur les autres atomes du réseau. Si on transcrit ces équations dans le monde quantique, on constate que l'énergie transportée par ces oscillations est quantifiée. En physique quantique, à toute onde peut être associée une particule. Dans le cas des ondes de propagation des oscillations des atomes d'un réseau cristallin, cette particule est le phonon.

Le passage d'un électron libre dans un réseau cristallin fait également osciller les atomes du réseau. Ceci crée une charge d'espace qui attire les autres électrons. Il y a de ce fait interaction entre les électrons au sein du réseau, interaction dont le vecteur est le phonon. Cette interaction n'est sensible qu'à très basse température : dès que la température dépasse quelques degrés Kelvin (voire quelques dizaines de degrés Kelvin) l'agitation thermique des atomes l'emporte largement sur l'oscillation due au passage d'un électron.

En déclenchant l'émission d'un phonon, deux électrons peuvent trouver un état d'énergie stable plus favorable qu'en restant séparés. Une telle association est appelée une paire de Cooper. La pseudo-particule composée par les deux électrons d'une paire de Cooper a un spin entier. Elle échappe donc aux contraintes du principe d'exclusion de Pauli et se comporte comme un boson. Cela se traduit par une mobilité sans entrave. C'est ce phénomène qui est à l'origine de la supraconductivité.

Applications industrielles

Les matériaux supraconducteurs sont utilisés pour réaliser de puissants électroaimants :

  • en imagerie par résonnance magnétique (IRM),
  • dans les accélérateurs de particule comme le LHC (large hadron collider) du CERN,
  • dans les trains à sustentation magnétique comme le MagLev chinois.

Le projet ITER ainsi que le stellarator allemand utilisent également des aimants supraconducteurs pour réaliser le confinement électromagnétique nécessaire à la fusion nucléaire.

L'utilisation de la supraconductivité pour le transport de l'énergie est en cours d'expérimentation en Corée, aux Etats-Unis et en Allemagne. D'autres applications existent, en particulier pour le stockage d'énergie (SMES : Superconducting Magnet Energy Storage).

Les supraconducteurs les plus utilisés aujourd'hui sont le NbTi, un alliage de Niobium et de Titane, et le Nb3Sn, un alliage de Niobium et d'étain.

Quenchage des aimants

Dans toutes ces applications, le phénomène redouté est le quenchage des aimants. Le domaine dans lequel le matériau reste dans l'état supraconducteur dépend de 3 paramètres : la température, la densité de courant et l'intensité du champ magnétique. Dès lors que le matériau sort de ce domaine, la résistance électrique réapparaît et il se produit un phénomène d'emballement thermique qui peut conduire à la destruction du dispositif.

Supraconductivité à haute température

La théorie BCS suppose que les matériaux supraconducteurs soient à une température voisine du zéro absolu. Or on a découvert au cours des années 1980 des matériaux dont la température critique dépasse 40 K et peut atteindre -135 °C ! La plupart de ces matériaux font partie de la famille des cuprates. Les cuprates sont des sels de cuivre à la formule complexe : YBCO (oxyde mixte de Cuivre, de Baryum et d'Yttrium), LBCO (oxyde mixte de Cuivre, de Baryum et de Lanthane), BSCCO (oxyde mixte de Cuivre, de Bismuth, de Strontium et de Calcium)… Il n'y a pas aujourd'hui d'explication théorique convaincante pour la supraconductivité de ce type de matériaux.

 

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