La supraconductivité (Travaux Pratiques Encadrés - Espaces pédagogiques interactifs)

« carbure de bore , de ruthénium, ou encore de plutonium et d'uranium.

l'étude des supraconducteurs magnétiques peut donner la clé d'une nouvelle théorie, qui complètera ou remplacera la théorie BCS.

La théorie de Bardeen, Cooper et Schrieffer (BCS) explique la supraconductivité à très basse température.

Elle est fondée sur les découvertes de Frôhlich et de Cooper.

Frôhlich avait montré que lorsqu 'un électron, léger et très mobile , se déplace dans un réseau d'atomes , il attire des ions positifs autour de lui.

Il crée ainsi localement une zone positive qui perdure suffisamment longtemps après son passage , en raison de la lenteur relative des ions à reprendre leur position initiale , et attire un second électron .

Les deux électrons sont donc liés grâce au mouvement des atomes.

C'est un peu comme si le premier électron laissait derrière lui un sillage positif , qui se retrouve derrière le second électron et ainsi de suite .

Cooper avait ensuite montré que deux électrons liés de cette manière, même très faiblemen~ pouvaient avoir, ensemble, une énergie inférieure à la somme de leurs énergies individuelles .

Ce couple d 'électrons a été appelé paire de Cooper .

Les paires de Cooper restent intactes à très basse température, car les mouvements du réseau d'atomes demeurent alors faibles.

Les paires de Cooper appartiennent à un type de particules , les bosons, et peuvent donc subir la condensation de Bose-Einstein , dans laquelle elles ont toutes la même énergie et donnent à l'état supraconducteur une énergie plus basse que celle d'un métal.

Toutefois, les paires de Cooper condensées ne suffisent pas à expliquer la supraconductivité.

La théorie BCS ajoute un élément décisif: l'interaction entre les paires de Cooper , soulignant le caractère coopératif de l'état supraconducteur, qui est un peu celui d'un superfluide, s 'écoulant sans friction et ne rencontrant pas de résistance sur son chemin .

Cette interaction rend la cohésion d'une paire encore plus forte et fait apparaître un " gap » (terme anglais pour" fossé ») d' énergie .

Ce gap donne à l'état supraconducteur une énergie plus basse que celle de l'état normal.

Il est proportionnel à la température critique .

li est aussi proportionnel à la fréquence des phonons .

La supraconductivité disparaît quand une énergie au moins égale au gap est fournie , " cassant » les paires de Cooper .

Selon la théorie BCS, la température critique ne peut dépasser environ 30 K : au-delà , l'agitation thermique est trop forte .

L'EFFET MEISSNER JL'effet Meissner J État lignes de champ magnétique Une des conséquences les plus spectaculaires de la supraconductivité est l'effet Meissner (du nom de son découvreur Fritz Walther Meissner, 1882-1974) ou« diamagnétisme parfait » .

Un supraconducteur en-dessous de la température critique devient " imperméable » au champ magnétique environnant (tant que ce champ magnétique n 'atteint pas le seuil critique H0 au-delà duquel le matériau cesse d'être supraconducteur).

Les lignes de champ dévient et contournent le matériau.

En l'effet Meissner est mis en pratique dans les tr ain s il Irritation magn ifique (MagLev) .

L'EFFET JOSEPHSON l'effet prédit en 1962 par Josephson est parfois considéré comme la troisième expression de la supraconductivité .

C'est le passage d'un courant de paires d'électrons au travers d'une très fine couche isolante de 10 à 20 A (1 angstrôm = 10·• rn) intercalée entre deux électrodes supraconductrices , sans l'application d'aucune tension extérieure .

Le " sandwich » supraconducteur -isolant fin­ supraconducteur est appelé jonction Josephson .

Alors que la résistance nulle et le diamagnétisme parfait sont deux propriétés macroscopiques , l'effet Josephson est un effet microscopique , ou quantique , lié à la nature ondulatoire des électrons.

Cet effet est dit de type tunnel, par analogie avec l 'image d'un tunnel percé dans l'isolant qui permettrait au courant de passer.

Dans le cas de métaux ordinaires , le passage de courant de l'un à l 'autre au travers d'un isolant par effet tunnel est possible seulement si une tension est appliquée (mais alors , les électrons ne circulent pas par paires) .

Si une tension est appliquée à une jonction Josephson, un courant alternatif apparaît, accompagné d'une émission de rayonnement infrarouge (chaleur) .

La jonction se comporte comme un commutateur de tension dix fois plus rapide qu'un circuit semi­ conducteur.

l'effet Josephson a permis de mettre au point le dispositif SQUID (Superconduding Quantum Interference Deviee) qui a de nombreuses applications.

Les plus importantes sont liées à l 'électronique ultra rapide et à la détection de courants , de tensions, de champs magnétiques et de rayonnements infrarouges, avec une très grande sensibilité.

Le SQUID permet en effet de détecter des champs magnétiques extrêmement faible s (de l'ordre de 10·" à 10"'' T, soit jusqu'à moins d 'un milliardième du LES MATÉRIAUX SUPRACONDUCTEURS Les supraconducteurs présentent une grande diversité , tant dans leur composition chimique que dans leur structure cristalline .

Il n'en existe pas de modèle caractéristique et on en découvre régulièrement de nouveaux .

On peut toutefois les regrouper en trois branches principales , les supraconducteurs de type 1, ceux de type Il et des supraconducteurs qualifiés d'atypiques .

En outre , tous les supraconducteurs connus sont des solides , il n 'en existe pas sous forme de liquides ou de gaz.

SUPRAC ON D UCTEURS DE TYPE 1 Ce sont ceux qui montrent un diamagnétisme parfait en dessous d'une valeur critique H , de champ magnétique ambiant.

Si le champ magnétique appliqué au supraconducteur devient supérieur à H0 le matériau passe à l'état normal :il n'expulse plus le champ magnétique et montre une résistance comparable à celle d'un métal à basse température.

~ H normal Il faut aussi écarter le vanadium , le niobium et le technétium , qui sont de type Il.

Les températures critiques des supraconducteurs de type 1 ne dépassent pas 8 K .

SUPRACO NDUCTEURS DE TYPE Il Ce sont ceux qui possèdent deux valeurs de champ magnétique critique, H ,1 et H a .

Au-dessous de H,1, le supraconducteur se comporte comme s'il était de type 1 .

Entre H " et Ha.

le supraconducteur se trouve dans un état appelé mixte.

Il laisse alors pénétrer partiellement le champ qui emprunte un chemin que l'on peut visualiser comme un réseau de tubes appelés " vortex ».

Les vorte x se déplacent sous l'effet du champ, créant alors une résistance et réchauffant le matériau .

Ils s 'ancrent cependant à des défauts de la structure : on peut en introduire artificiellement pour figer le mouvement des vortex (ajout d 'impuretés , irradiation) .

Au-dessus de H a.

le supraconducteur devient normal.

Les températures critiques des supraconducteurs de type Il sont généralement beaucoup plus élevées que pour le type 1.

H ~ nonnal T, T Les supraconducteurs de type Il sont essentiellement : • les alliages bina ires de structure cristalline dite AIS, comme Nb3Ge (T, = 23,2 K), v ,si (T, = 11,1 Kl ; QUELQ UES FAmU R S INFLUE NÇANT lA TEM PÉRAnJRE CRmQUE Outre l'effet isotopique, la structure cristallographique, la préparation du supraconducteur, son état cristallin et la pression ambiante jouent un rôle sur la température critique et son apparition.

• l'éta in blanc est supraconducteur à 3.7 K, mais pas l'étain gris, de structure cristallographique différente.

• Le bismuth est supraconducteur lorsqu'il est préparé sous forme de film mais ne l'est pas sous forme de solide massif.

• Des films à base de tungstène, amorphes, montrent une température critique de 5 K alors que le tungstène seul, à l'état cristallin, n'a qu'une température critique de 0,01 K.

• Dans La2_,Sr,CuO ..

Ia température critique atteint un maximum de 35 K pour une substitution ou dopage en strontium , de valeur x égale à 0,15.

• La variation de stœchiométrie (proportion suivant laquelle les composants sont combinés) de YBa 2Cu30, est aussi importante : pour x= 7, T, = 92 K mais n'est plus que de 58 K pour x = 6, 7.

Ces valeurs de x correspondent à un excès d'oxygène (0) dans le composé.

• Enfin, certains matériaux ne deviennent supraconducteurs que sous pression, comme le phosphore, qui montre une température critique de 5,8 K à 170 000 bars (la pression atmosphérique étant de 1,013 bar).

Bi2Sr2Ca2Cu3010 (T, = 110 K) ou H&o, Tl0 2Ba,ca,cu ,0 833 (Tc= 138 K) ; si l~ur f~brication est difficile à maîtriser industriellemen~ ils offrent pour la plupart l' avantage de devenir supraconducteurs à la température de l'azote liquide ; • les bronzes de tungstène , comme Sr0 . 8W0 3 (T, = 2.4 K).

• les phases dites de Chevrel , à base de SUPRA CONDUCTE URS ATYP IQUES molybdène et de soufre , comme Ces supra conducteurs ne peuvent être PbMo 6S8 (T, = 15 K) ; classés parmi ceux de type 1 ou Il, tant • les oxydes de cuivre à haute leur comportement s'avère particulier .

T , T température critique , dont la structure Parmi eux.

on trouve différentes Cette famille de supraconducteurs est cristalline est de type pérovskite , structure s organiques : composée par une grande partie des comme La1• 85Ba0 •15Cu0 4 (T, = 30 K), •les nanotubes de carbone , dont la éléments de la classification périodique YBa1Cu,07 (dont la structure est dimension linéaire est supposée (tableau des éléments chimiques ) , ceux détaillée sur le schéma ; T , = 92 K), interdire tout changement d'état ; qui montrent une certaine conductivité ~--------- ---.._ -.., • les supraconducteurs à la température ambiante .

Cependant , organiques dits moléculaires , les trois meilleurs conducteurs que sont san s métal , comme l'or , l'argent et le cuivre n'en font pas (TMTSF) 2CI04 (T, = 1,2 K) ; partie ...

• les fullerènes dopés avec des VERS L'INVENnON DU MOUVEMENT PERPÉTUEL Lorsqu'un anneau supraconducteur est plongé dans un champ magnétique puis est refroidi, le champ magnétique est piégé en son centre.

Un courant induit apparaît dans l'anneau et se met à y circuler, sans perte, et donc indéfinimen~ puisque le supraconducteur n'a aucune résistance électrique.

On peut ainsi créer des « courants persistants », qui donnent une image du mouvement perpétuel.

C'est Kamerlingh Onnes qui a démontré leur existence en transportant un tel anneau de Leyde à Cambridge : à l'arrivée à Cambridge, le courant établi à Leyde sous un champ magnétique ensuite supprimé existait toujours dans l'anneau refroidi .

--l ,a~~A- - ~ yttrium(Y ) barium (Ba) cuivre(Cu ) Q oxygène (0 ) J Structure de YBa,cu,o ,J alcalins, comme RbC 60 (T, = 30 K), molécule composée de soixante atomes de carbone disposés en forme de ballon de football, au sein desquels un atome de rubidium peut être inséré.

D ' autres supraconducteurs atypiques présentent des propriétés encore mal comprises.

C'est le cas des carbures de bore , qui repassent à l'état normal au-dessous de la température critique.

Par ailleurs, les chercheurs étudient les propriétés de supraconducteurs ferromagnétiques, parmi lesquels des composés à fermions lourds comme UGe2 (T, < 1 K) ou des ruthénates, comme RuSr2GdCu 208 (T, =58 K).. »