Institut des
NanoSciences de Paris
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La supraconductivité : Un effet quantique macroscopique

La supraconductivité est une transition de phase électronique d’origine quantique qui a été découverte en 1911 par Kammerlingh Onnes à Leyde aux Pays bas (voir Fig 1). Cette découverte a été possible grâce à la liquéfaction de l’hélium (dont la température de liquéfaction est de 4.2K) que K. Onnes a réussi à réaliser dès 1908 et grâce à laquelle il a pu atteindre la plus basse jamais atteinte par l’homme à cette époque, proche de 1,65 K (-271,5 °C).

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Figure 1 : Sur cette photo, prise en 1908, devant le liquéfacteur d’hélium du laboratoire de H.K. Onnes, sont présents H.K. Onnes (à droite) et G.J. Flim (à gauche), alors chef du laboratoire de cryogénie de l’université de Leyde.

Fort de cette avance technologique, ce brillant chercheur dont la devise « Door meten tot weten », « par l’expérience, la connaissance » révèle un caractère résolument tourné vers l’expérimentation et la découverte, se tourne alors vers une question fondamentale de taille, qui tourmentait de nombreux physiciens en cette début de XXe siècle : Comment un métal conduit-il l’électricité à très basse température ?

Motivé par cette question, il mesure avec l’aide - souvent oubliée - de son assistant Gilles Holst, la résistance du mercure en fonction de la température de ce conducteur. A sa grande surprise, la résistance chute brutalement autour de 4.2K et devient tellement petite qu’elle n’est même plus mesurable ! Il vient de découvrir la supraconductivité : en dessous d’une certaine température, appelée la température critique, la résistance de certains matériaux s’annule et celui-ci devient un conducteur parfait (i.e. le transport d’électricité se fait sans aucune dissipation d’énergie).

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Figure 2 : Résistance d’un échantillon de mercure en fonction de la température.

D’autres matériaux (aluminium, plomb, zinc, tungstène) se comportent de façon similaire avec des températures critiques sensiblement différentes et très proches du zéro absolu T=0K (voir tableau ci-dessous).

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Tableau : Quelques matériaux supraconducteurs et leur température critique correspondante.

Cet état très particulier est aussi caractérisé par un autre effet spectaculaire, découvert par W. Meissner en 1933, le diamagnétisme parfait ou effet Meissner : Dans l’état supraconducteur, des courants de surface apparaissent de manière à expulser les lignes de champ et maintenir un champ nul dans le matériau . Il en résulte un effet très spectaculaire : une bille supraconductrice lévite au dessus d’un support magnétique !

Ce phénomène a tout de suite suscité un vif intérêt du fait de son étrangeté – comment un courant peut-il circuler sans dissipation ? - et des possibles applications, notamment pour le transport du courant. Cependant, en dépit des espoirs prometteurs et de découvertes de matériaux avec des températures critiques de plus en plus élevées, celle-ci a néanmoins plafonné jusqu’en 1986 à 23K - une limite prévue par la théorie « BCS » - bien en dessous de la température de l’azote liquide, ce qui limitait considérablement les applications possibles.

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Figure 3 : John Bardeen, Leon Cooper, and Robert Schrieffer à la remise du prix Nobel en 1972 récompensant leur théorie de la supraconductivité publiée en 1957.

La compréhension de ce phénomène mystérieux à bien des égards a nécessité bien des efforts aux physiciens. Après sa découverte par K. Onnes, il a fallu presque un demi-siècle pour qu’une théorie l’éclaire. Et quelle lumière ce fut ! En 1957, trois physiciens géniaux (Fig. 3), J. Bardeen, L. Cooper, et R. Schrieffer (prix Nobel, 1972), ont établi un modèle microscopique de la supraconductivité tout à fait révolutionnaire ! En dépit de la force de répulsion coulombienne (qui a pour conséquence que deux électrons se repoussent en vertu de leur charge négatives), une petite interaction attractive existe entre électrons à basse température dans un supraconducteur. Celle-ci est médiée par les vibrations du réseau cristallin (phonons) : lorsqu’il se déplace dans le solide, un électron déforme légèrement le réseau cristallin, ce qui produit une petite polarisation qui attire un autre électron (Fig 4).

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Figure 4 : Interaction attractive entre deux électrons par l’intermédiaire du réseau cristallin : un électron produit une déformation du réseau cristallin, donnant lieu à une légère polarisation électrique qui attire un autre électron.

L’énergie caractéristique de l’abaissement d’énergie qui s’en suit est de l’ordre de 0.001eV tandis que la distance d’interaction est typiquement de l’ordre de 100nm, soit bien supérieure à la distance inter-atomique qui est seulement de 0.1-0.5nm. Elle conduit à la formation de paires d’électrons ou « paires de Cooper ». Celles-ci ont la particularité d’être formées de deux électrons ayant des quantités de mouvement ainsi que des moments magnétiques intrinsèques - ou spin – opposés. Elles se condensent en dessous d’une température critique, Tc, ce qui donne lieu à une bande d’énergie interdite, qui est typiquement de l’ordre de 1meV=0.001eV, dans le spectre d’excitations du système. Un paramètre d’ordre macroscopique, analogue à un superfluide, est ainsi établi. Son module donne l’amplitude de la bande interdite – plus couramment nommé « gap » suivant la terminologie anglaise - qui est maximum à température nulle et s’annule à la transition (Fig. 5). Dans le cadre de la théorie BCS, celui-ci est proportionnel à la température critique : . Par ailleurs, la théorie dépasse le cadre restreint de la supraconductivité puisqu’elle a des applications dans le domaine de l’astrophysique ou encore de la physique nucléaire.

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Figure 5 : Dépendance en température de l’amplitude du paramètre d’ordre supraconducteur. Celui-ci est nulle à la température critique Tc et augmente ensuite graduellement tandis que la température diminue.

L’histoire de la supraconductivité aurait bien pu s’arrêter là d’autant plus que la théorie BCS prévoyait une température critique – proportionnelle à la fréquence de vibration de Débye du réseau cristallin - maximum de l’ordre de 30K et tout semblait donc en parfait accord avec la théorie… Une affaire pour ainsi dire réglée ! Mais en 1986, deux chercheurs d’IBM, J. Georg Bednorz and K. Alexander Müller (prix Nobel 1987) remettent pour ainsi dire les compteurs à zéro en mettant en évidence la supraconductivité dans un oxyde de baryum-lanthane-cuivre à la température de 35 K. Une nouvelle famille de supraconducteurs vient de naitre ! Cette découverte relance la recherche dans ce domaine si bien que d’autres composés avec des températures critiques plus élevées seront ensuite rapidement découverts. Le record de température est aujourd’hui de 133K dans HgBa2Ca2Cu3Ox. Ces composés ont des structures différentes mais ont en commun les plans « actifs » CuO2 où se forme la supraconductivité.

La supraconductivité dans ces matériaux est fort complexe et son mécanisme, après plus de vingt années de recherche, n’est toujours pas complètement élucidé. Les températures critiques sont certes bien plus élevées que la limite prévue par « BCS », mais le fait le plus intéressant réside peut-être dans le fait que la supraconductivité dans ces matériaux n’est absolument pas décrite de façon satisfaisante par cette théorie. La supraconductivité s’établit par dopage (introduit soit par le biais d’un déficit en oxygène ou encore par substitution) car, de manière surprenante, les composés parents (i.e. les mêmes composés en l’absence de dopage), parfaitement stœchiométriques, sont anti-ferromagnétiques (voir le diagramme de phase, Fig. 6) !

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Figure 6 : Diagramme de phase schématique dans les cuprates. Celui-ci est asymétrique en fonction du dopage, de type « trou » (le plus courant) ou de type « électron ».

La nature nous réserve décidément bien des surprises puisqu’en 2008, une autre famille de supraconducteur - les pnictures, à base d’atomes de fer et d’arsenic - a été découverte par une équipe japonaise. Non seulement ces composés ont des températures critiques élevées (jusqu’à 55K, soit une limite supérieure à la limite donnée par la théorie BCS) mais de plus ils contiennent du fer, i.e. un matériau magnétique, ce qui est fort étonnant puisque le magnétisme et la supraconductivité ne font généralement pas bon ménage ! Des travaux sont en cours dans le groupe et au sein de la communauté « supra » afin de tenter de mieux comprendre ces nouveaux matériaux.

Les applications de la supraconductivité sont déjà nombreuses. Elle est de nos jours utilisée pour la réalisation de bobines de fort champ magnétique pour l’imagerie médicale, pour des détecteurs de champ magnétique (SQUID) ultra-sensibles ou encore pour le transport du courant. Récemment une ligne supraconductrice de 600 mètres a d’ailleurs été fabriquée aux Etats unis par une entreprise d’origine française (Nexans) afin de remplacer une ligne « standard » en cuivre.

Liens utiles :

Sur l’histoire de la supraconductivité et plus particulièrement de la théorie BCS, voir les sites de American Physics Society (APS) et celui du CNRS

Par ailleurs, un nouveau site est dédié à la supraconductivité à l’occasion des 100 ans de la découverte de ce phénomène par K. Onnes.

Pour en savoir plus sur les cables supraconducteurs, voir le site de Nexans