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Découverte et historique de la supraconductivité

Dossier - La supraconductivité
DossierClassé sous :physique , supraconductivité , effet Meissner

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La supraconductivité, un mot magique pour des phénomènes extraordinaires ! La lévitation magnétique est de loin la manifestation la plus spectaculaire du phénomène de supraconductivité avec de nos jours la réalisation de trains à très grandes vitesses.

  
DossiersLa supraconductivité
 

La supraconductivité fut découverte en 1911 par le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes, qui remarqua qu'à une température inférieure à 4,2 K (-268,8 °C), le mercure ne présentait plus aucune résistance électrique.

Supraconducteur capable de lévitation. © Julian Litzel - CC BY-SA 3.0

Ce qui caractérise plus fondamentalement un supraconducteur est sa capacité d'exclure les lignes de champ magnétique : si on plonge un objet supraconducteur dans un champ magnétique, un courant de surface apparaît qui produit un contrechamp magnétique tel que le champ magnétique total est nul à l'intérieur de l'objet. C'est en 1939 que W. Meissner et R. Ochsenfeld ont observé cet effet (appelé effet Meissner) sur le plomb. C'est sur l'effet Meissner que se base la lévitation magnétique.


Vidéo sur la découverte de la supraconductivité et ses applications. © CNRS Images/INP/Université Paris-Diderot

Supraconductivité : les premières découvertes quantiques

Mais la physique fondamentale de la supraconductivité ne fut maîtrisée qu'à partir de 1957, lorsque les physiciens américains John Bardeen, Leon Cooper et John Schrieffer élaborèrent une théorie qui leur valut le prix Nobel de physique en 1972 : la théorie BCS. Cette théorie décrit la supraconductivité comme un phénomène quantique. En 1962, le physicien britannique Brian Josephson, étudiant la nature quantique de la supraconductivité, prédit le passage d'un courant entre deux supraconducteurs séparés par une mince couche isolante. Ce phénomène, qui fut confirmé expérimentalement par la suite, est aujourd'hui connu sous le nom d'effets Josephson.

Jusqu'à cette époque, les scientifiques étaient persuadés que tous les supraconducteurs agissaient de la même façon en présence d'un champ magnétique. Ils savaient que la supraconductivité disparaissait si elle était soumise à un champ magnétique plus intense qu'un certain champ critique Bc, et que la valeur de ce champ critique dépendait de la température. Ainsi, l'objet pouvait se trouver soit dans l'état normal, soit dans l'état supraconducteur, selon la valeur de la température et du champ magnétique appliqué. Aujourd'hui, on qualifie les matériaux se comportant de cette façon de supraconducteurs de première espèce ou de premier type.

Supraconducteur de première espèce. © DR

Cependant, tel n'est pas le cas pour tous les supraconducteurs. En 1962, un deuxième type de supraconducteurs a été découvert. Ces matériaux de deuxième espèce possèdent deux champs magnétiques critiques (Bc1 et Bc2) dépendants de la température. Ainsi, ils peuvent se trouver dans trois états : l'état normal, l'état supraconducteur et l'état mixte. Sous Bc1, le matériau est complètement à l'état supraconducteur. Lorsqu'il franchit ce champ magnétique critique, il se retrouve à l'état mixte, c'est-à-dire que le flux magnétique commence à pénétrer dans l'objet à travers de minces faisceaux appelés vortex. Le centre de chacun des vortex est caractérisé par une conductivité normale, et le flux les traversant est gardé constant par des boucles de courant persistant se formant sur leur circonférence. La densité des vortex augmente en proportion du champ appliqué. Si ce champ dépasse Bc2, le matériau atteint l'état normal, de la même façon que s'il avait outrepassé la température critique sans être soumis à un quelconque champ magnétique extérieur.

Supraconducteur de deuxième espèce. © DR

Pendant 15 ans, la théorie BCS a permis aux scientifiques de bien comprendre le monde de la supraconductivité, donc de pouvoir prédire des propriétés des supraconducteurs et d'élaborer de nouvelles expériences. Par la suite, les scientifiques s'attachèrent à synthétiser des matériaux supraconducteurs à des températures les moins basses possibles. En effet, pour travailler à des températures proches du zéro absolu, il fallait alors utiliser l'hélium liquide, un agent de refroidissement coûteux et peu performant. Par ailleurs, une exploitation à température ultrabasse imposait des contraintes sévères qui diminuaient considérablement le rendement du supraconducteur. Jusqu'en 1986, la plus haute température critique connue était ainsi de 23,2 K (-249,8 °C), relative au niobiure de germanium (Nb3Ge).

Mais, en 1986, on découvrit dans plusieurs centres de recherche et de laboratoires d'universités que les composés d'oxydes métalliques céramiques contenant des lanthanides pouvaient être supraconducteurs à des températures suffisamment élevées pour utiliser l'azote liquide comme agent de refroidissement. À 77 K (environ -196 °C), l'azote liquide refroidit en effet vingt fois plus efficacement que l'hélium liquide, alors qu'il coûte dix fois moins cher. Ainsi, le physicien suisse Karl Müller et le physicien allemand Johannes Georg Bednorz élaborèrent cette année-là un oxyde de lanthane, baryum et cuivre, supraconducteur à 35 K. Il s'agissait du premier exemple d'un des matériaux à hautes températures critiques que l'on connaît aujourd'hui sous le nom de cuprate. Leurs travaux, qui furent couronnés par le prix Nobel de physique l'année suivante, déclenchèrent alors une « course aux hautes températures ». En 1988, on parvint à fabriquer des supraconducteurs à plus de 100 K.

Supraconducteur et haute température critique : état des lieux en 2012

À ce jour, la plus haute température critique associée à un supraconducteur (obtenue en 1993) atteint 138 K (-135 °C). En utilisant un composé hautement pressurisé contenant du mercure une température de 164 K a même peut-être été atteinte. Il n'existe encore aucune explication satisfaisante de la supraconductivité dans ces matériaux mais à l'image des 40 ans au cours desquels fut petit à petit élaborée la théorie BCS, la patience est de mise. Pour certains, la théorie BCS serait encore pertinente mais pour d'autres les paires de Cooper dans les supraconducteurs à hautes températures critiques se formeraient du fait d'effets magnétiques liés aux spins des électrons et plus grâce aux phonons.

Avec les supraconducteurs, on a obtenu des températures critiques (en kelvins, sur l'axe des ordonnées) de moins en moins basses de 1910 à 1990 (en abscisse), le record de 138 K n'apparaît pas ici car il date de 1993. © DR