supraconductivité. n.f., propriété de corps dits supraconducteurs qui, en dessous d'une température critique, présentent un zéro strict et brutal de leur résistivité électrique. Un courant électrique lancé dans un anneau de plomb refroidi vers 4,2 K (- 269 o C) a ainsi circulé deux ans en restant constant à 10-23 près. Nombre de métaux usuels (aluminium, étain, mercure, plomb, zinc...), plusieurs centaines d'alliages et de composés chimiques sont supraconducteurs (oxydes, polymères, composés organiques). Aucune altération chimique ou structurale n'accompagne le passage à l'état supraconducteur ; les électrons participant à la conduction électrique subissent une transformation de phase. Propriétés électromagnétiques. Pour un certain nombre de substances (étain, plomb, aluminium, etc.), le champ magnétique est strictement nul dans le volume du supraconducteur : c'est un diamagnétique parfait (du grec dia, « séparation »). Un courant supraconducteur permanent s'établit en surface sur une profondeur, dite de London, caractéristique du matériau considéré, qui crée en volume un champ magnétique égal mais de sens opposé au champ extérieur (la somme vectorielle des deux champs est alors nulle). L'état supraconducteur en un point dépend en fait de l'état supraconducteur dans tout un voisinage de ce point, dont le rayon, dit longueur de cohérence ou de Pippard, est l'autre longueur caractéristique d'un supraconducteur. Elle peut être plus grande ou plus petite que la profondeur de London, définissant ainsi des supraconducteurs de type I ou II. L'application d'un champ magnétique au supraconducteur détruit brutalement la supraconductivité pour une valeur critique du champ, pour les supraconducteurs de type I. Pour les supraconducteurs de type II, lorsqu'on applique un champ magnétique, le passage à l'état normal est progressif, ce qui signifie que le champ magnétique commence par pénétrer dans le supraconducteur sans détruire la supraconductivité, et la valeur du champ critique pour lequel le corps redevient normal peut être très élevée. Théorie phénoménologique. Ces propriétés sont bien décrites par la théorie de Ginzburg et Landau (GL) des transitions de phase appliquée à la supraconductivité. Le supraconducteur est décrit, d'un point de vue thermodynamique, au voisinage de la transition vers l'état normal, par une grandeur appelée « énergie libre » qu'on exprime en fonction d'une quantité abstraite : le paramètre d'ordre qui a toutes les propriétés de la fonction d'onde de la mécanique quantique... bien qu'il ne représente pas une particule. Pour les types II, GL prédit que la pénétration du champ magnétique est organisée en lignes de flux quantifiées, régulièrement espacées, les vortex, qui sont effectivement observables. Théorie microscopique. La théorie microscopique repose sur la notion paradoxale de paire d'électrons proposée par Leon Cooper. Une très faible interaction attractive entre deux électrons modifie leur état quantique. Ils forment une nouvelle entité d'énergie légèrement inférieure à deux fois l'énergie de chaque électron non couplé. La distance sur laquelle s'étale cette paire de Cooper dans l'espace, soit plusieurs milliers de fois la distance entre deux atomes voisins, est la longueur de cohérence. L'attraction entre deux électrons de même charge est le résultat d'une interaction fugace (10-12 s) avec les vibrations des ions du solide (phonons). C'est à partir de ce mécanisme que la théorie de Bardeen, Cooper et Schrieffer (BCS, 1957) est construite. Elle donne un sens physique au paramètre d'ordre qui est lié à la densité de paires d'électrons en un point du supraconducteur. La théorie prédit l'existence d'une différence d'énergie entre l'état normal et l'état supraconducteur, proportionnelle à la température critique : le gap, de l'ordre du milliélectronvolt. C'est l'énergie nécessaire pour briser une paire. Les paires, comme des électrons isolés, peuvent passer, par effet tunnel, au travers d'une mince barrière isolante, d'où des effets spectaculaires de quantification prédits par Brian David Josephson. Ils constituent le principe de nombreux capteurs ultrasensibles et de l'étalon-volt moderne. Comme la superfluidité, la supraconductivité est un phénomène quantique macroscopique. C'est une phase électronique plus ordonnée que la phase normale, mais cet ordre ne concerne pas la position spatiale des électrons : il concerne la façon dont les vitesses des électrons s'organisent, chaque paire étant formée de deux électrons dont les vitesses sont strictement opposées ; l'ordre n'est apparent que dans l'espace des moments et pas dans l'espace réel des positions comme c'est le cas, pour les atomes, d'un cristal de glace. Les supraconducteurs peuvent transporter des courants de forte intensité sans dissipation de chaleur, d'où des applications à forte densité de courant (bobines créant des champs magnétiques intenses, cavités hyperfréquences pour accélérateurs de particules) et pour des dispositifs cryoélectroniques : microvoltmètres, magnétomètres, filtres hyperfréquences, détecteurs d'infrarouge et de particules. L'usage de ces applications est freiné par l'obligation de fonctionner à basse température. Histoire de la supraconductivité. En 1911 à Leiden, Gerhardt Holst découvre la supraconductivité. C'est le fruit d'une formidable entreprise scientifique créée par H. Kamerlingh Onnes qui, depuis 1882, avait développé l'ancêtre des grands laboratoires modernes de physique. Leiden conserva le monopole des expériences à basse température jusque vers 1926. Onnes avait le premier au monde liquéfié l'hélium en 1905 ; il publia seul la découverte de la supraconductivité, qui lui valut le prix Nobel en 1913. La supraconductivité resta complètement incomprise pendant vingt ans, les physiciens n'ayant même pas de modèle satisfaisant pour comprendre la conductivité électrique dans un métal ordinaire. La supraconductivité de cette époque était dans une situation, fréquente scientifiquement, où théorie et expérience se cherchent. Enfin, une série d'articles de Leiden publiés de 1930 à 1934 établirent que la chaleur spécifique est discontinue à la température critique. Une propriété, autre que la disparition de résistivité, était enfin associée à la supraconductivité. Cette propriété était de nature thermique et non structurale, ce qui confortait l'idée que les électrons étaient en cause. Toujours à Leiden, à partir d'idées générales sur les transitions de phase, Rutgers mit en relation la dérivée du champ magnétique critique en fonction de la température avec le saut de la chaleur spécifique à la température critique. L'accord avec les expériences était parfait. La supraconductivité semblait bien être une phase thermodynamique, distincte de la phase de l'état normal. Des considérations thermodynamiques pouvaient donc la décrire. Cependant, les Hollandais n'avaient pas mis dans leurs mesures magnétiques tout le soin nécessaire. C'est à Meissner qu'il revint, à Berlin, de constater le diamagnétisme parfait. Deux physiciens de Leiden, Gorter et H.B.G. Casimir, élève de Pauli, produisirent immédiatement une théorie thermodynamique qui, divisant les électrons entre « normaux » et « supraconducteurs », prenait en compte l'effet Meissner. Dans le même temps, à Paris, sur le chemin de l'exil à cause du nazisme, Fritz London rendit compte du diamagnétisme parfait en ajoutant aux équations de Maxwell une relation phénoménologique spécifique de l'état supraconducteur. Il prédit aussi que, dans un anneau supraconducteur, le flux magnétique est quantifié. Shoenberg, en mesurant la résistance hyperfréquence d'une micropoudre de grains supraconducteurs, confirma l'ordre de grandeur prévu pour la profondeur de London. Mais l'évolution du domaine, déjà freinée par le nazisme, fut encore bloquée par les purges staliniennes au cours desquelles Chubnikov, très brillant expérimentateur, mourut et Lev Landau fut emprisonné. La Seconde Guerre mondiale marqua l'arrêt quasi complet de cette activité. Les techniques nucléaires et le radar développés pendant le conflit permirent l'obtention de deux résultats importants. Les premières fournirent les isotopes, grâce auxquels on s'aperçut que les vibrations des ions (phonons) intervenaient dans la supraconductivité . Le matériel radar permit à Brian Pippard, à Cambridge, d'étudier en micro-ondes des alliages pour proposer la notion de longueur de cohérence. Tandis que de plus en plus d'expériences suggéraient l'existence d'un « gap » d'énergie, la guerre froide créa une coupure scientifique entre l'URSS et le reste du monde. L'article de Ginzburg et Landau passa inaperçu, la revue le contenant ayant été jetée à l'eau par les dockers de New York pendant la vague maccarthyste. À l'Ouest, Fritz London, en publiant Superfluids, avançait que supraconductivité et superfluidité sont des phénomènes quantiques macroscopiques. John Bardeen, qui s'était intéressé au sujet par intermittence, y revint après sa contribution à la découverte de l'effet transistor. Il contacta un jeune théoricien nucléaire, Leon Cooper, qui, avec l'audace du néophyte, proposa la paire d'électrons pour expliquer le gap. Bardeen, Cooper et Schrieffer entamèrent alors un laborieux mais fructueux calcul qui apporta la solution en 1957. Théoriciens soviétiques et occidentaux rivalisèrent alors pour montrer la noncontradiction entre BCS et Ginzburg-Landau. Utilisant le formalisme de Ginzburg-Landau, Pierre-Gilles de Gennes créa en France un groupe très actif qui défricha les propriétés des types II. À la surprise générale, un jeune théoricien de Cambridge, Brian Josephson, montra en 1964 que la phase du paramètre d'ordre était une quantité qui a un rôle physique important. Après cette date, l'âge d'or de la supraconductivité était passé, la recherche empirique de matériaux à propriétés particulières ou à plus haute température devint l'essentiel du domaine. L'intérêt pour la supraconductivité a été relancé par la découverte, en 1986, par Bednorz et Müller, d'oxydes céramiques supraconducteurs, dont la température critique la plus élevée est de 115 K et qui restent donc supraconducteurs dans l'azote liquide sous pression atmosphérique (77 K). Enfin, en 1994, des indications sérieuses laissaient espérer l'obtention d'une supraconductivité à la température ordinaire. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats accélérateur de particules - Les grandes étapes accélérateur de particules - Types d'accélérateurs - Les anneaux de stockage aluminium Anderson Philip Warren Bardeen John bobine conducteur Cooper Leon N. électricité - Introduction Gennes (Pierre-Gilles de) Josephson Brian David Kamerlingh Onnes Heike quantique (physique) résistance Schrieffer John Robert superfluidité transistor Les livres supraconductivité - l'effet Meissner, page 4953, volume 9 supraconductivité - la lévitation magnétique, page 4953, volume 9 supraconductivité - phase de Chubnikov d'un supraconducteur de type II, page 4953, volume 9
