La supraconductivité

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

l'étude des supraconducteUTS magnétiques peut donner la dé 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 Frëhlich et de Cooper.

Frëhlich 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 celu i 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 apparaitre 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.

Il est aussi proportionnel à la fréquence des phonons .

La supraconductivité disparait 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'EFRT llElsSNU jL'elfet Meissnerl ~fat • • L..U..acond......._._.uc:teu ..........

r 1 19*do.,_~ 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 H~ au-delà duquel le matériau cesse d'être supraconducteur) .

}~ Les lignes de champ dévient et contournent le l'effet Meissner est mis en pratique dans les ll'tlhls j Jévttatlon -fllltMlw (Maglev) .

l'EFRT JOSEl'llSON 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 angstrëm = 10'" m) 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 ondulato ire des électrons .

Cet effet est dit de type tunnel, par analogie avec l'image d'un tunnel percé dans l'isolant qui permettra it 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 apparait, 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 lnterference Device) 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 faibles (de l'ordre de 10-" à 10·" T, soit jusqu'à moins d'un milliardième du ch amp mag n étiq ue terrestre), détecta nt par exempl e les champ s magnéti ques du cerveau (1-gtrlf iftdlc•le f1B [Arillliiiii:~~;::!l risu•nce LES MATÉRIAUX SUPRACONDUCTEURS Les supraconducteuis présentent une grande diversité , tant dans leur composition chim ique 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.

5uPUCONDUCl'tUIS DE TYPE 1 Ce sont ceux qui montrent un diamagnétisme parfait en dessous d'une valeur critique H, de champ magnétique amb iant Si le champ magnétique appliqué au supraconducteur devien t supérieur à ~ 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 températu res critiq ues des supraconducteuis de type 1 ne dépassent pas 8 K.

SUPIACONDUCTEUIS DE TYPE Il Ce sont ceux qui possèdent deux valeurs de champ magnétique critique, Hc1 et Ha.

Au-dessous de Hc1.

le supraconducteur se comporte comme s 'il était de type 1.

Entre He1 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 vortex 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 Ha.

le supraconducteur devient normal.

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

H ~ - 0 T, T Les supraconducteurs de type Il sont essentiellement : • les alliages binaires de structure cristalline dite Al5, comme N~Ge (T, = 23,2 K), V3Si (T, = 17,1 K); QUELQUES FACTEURS INFWENÇANT LA TEMPillATURE CRmQUE Outre l'effet isotopique, la structure cristallographique, la préparation du supraconducteur, son état cristallin et la pression ambiante jouent un rOle sur la température critique et son apparition.

• l'étain 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 La,.,Sr ,CUO.., la 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,8TI0 , 2Ba,Ca,Cu 308.n (Tc= 138 K); si leur fabrication est difficile à maitriser industriellement, ils offrent pour la plupart l'avantage de devenir supraconducteurs à la température de l'azote liquide ; • les bronzes de tungstène , comme Sr 0,aW0 3 (T, = 2,4 K).

• les phases dites de Chevrel , à base de SUPIACONDUmUIS ATYPIQUES molybdène et de soufre , comme Ces supraconducteurs ne peuvent être PbMo 6S8 (T, = 15 K) ; dassés parmi ceux de type 1 ou Il, tant • les oxydes de cuivre à haute leur comportement s'avère particulier .

r.

T température critique, dont la structure Parmi eux, on trouve différentes Cette famille de supraconducteurs est cristalline est de type pérovskite , structures organiques : composée par une grande partie des comme La,,85Ba0 ,15Cu0 4 (T, = 30 K), • les nanotubes de carbone , dont la éléments de la classification périodique YBo 20t,0 7 (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.

organ iques dits moléculaires, les trois meilleurs conducteurs que sont sans métal , comme l'or, l'argent et le cuivre n'en font pas (TMTSF)i00 4 (T, = 1 ,2 K); partie.

.

.

• les fullerènes dopés avec des VERS L 1NVENTION DU MOUVEMENT PERPDUEL Lorsqu'un anneau supraconducteur est plongé dans un champ magnétique puis est refroidi, le champ magnétique est piégé en son centre .

Un courant induit apparait dans l'anneau et se met à y circuler, sans perte, et donc indéfiniment.

puisque le supraconducteur n'a aucune résistance électrique.

On peut ainsi créer cles • 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 toujouis dans l'anneau refroidi.

-- ...

A-- ~ ylrUn (Y) " -(Cu) (Ït borklm(llo) ~ OX)'llAllli(O) 1 Structu re de YBa,Cu,0 71 alcalins, comme RbC..

(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 supraconducteuis 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 chercheuis étudient les propriétés de supraconducteurs ferromagnétiques, parmi lesquels des composés à fermions lourds comme UGe 2 (T« 1 K) ou des ruthénates, comme Rusr,Gdcu,o, (T,= 58 K).. »