Les supraconducteurs

« TECHNIQUES DE SYNTHESES DES MATERIAUX INTRODUCTION Plus d’un siècle sur la découverte de la supraconductivité qui révèle des propriétés qui bouleversent complètement nos connaissances sur les caractéristiques liées aux matériaux à basse température. Ces propriétés qui sembleraient être spectaculaires cachent dans son contenue une ambiguïté immense sur la façon d’expliquer leur mécanisme de fonctionnement.

Nombre de scientifiques ont tenté de percer son mystère depuis sa découverte en 1911.

Pendant près de 75 ans, la supraconductivité est restée un sujet obscur, à cause des conditions nécessaires à l'obtention de matériaux supraconducteurs, essentiellement la cryogénie, qui étaient bien trop coûteuses. Aujourd'hui, les supraconducteurs s'installent dans de nombreux domaines, tels que l'électronique, la médecine et l'informatique, et la baisse des coûts de production ne peut que participer à leur déploiement. I.

APPROCHE HISTORIQUE La supraconductivité a été découverte en 1911 par H.K.ONNES à Leiden en Hollande dans la première décennie du XXe siècle.

Le groupe de H.K.ONNES est à la foi le seul qui possède les installations industrielles nécessaires à la liquéfaction d’hélium1 .

Il y parvient le 10 juillet 1908 et peut réaliser des expériences jusqu’à la température de 1K.

H.K.

ONNES choisit alors de s’attaquer à l’une des grandes questions qui intéressent la communauté des physiciens de l’époque : quel est le comportement de la résistance électrique des métaux lorsqu’on s’approche du zéro absolu.

Tend-telle vers 0 du fait de l’affaiblissement de l’agitation thermique ? Augmente-t-elle par localisation des électrons libres ? Atteint elle une valeur limite due aux impuretés comme le prévoit déjà MATTHIESSEN Lors d’une étude sur la résistivité de mercures à la température de liquéfaction d’hélium, H.K.ONNES découvrit fortuitement que la résistivité de mercure s’annulait brusquement au-dessous de 4,5K. À partir de cette expérience, on associe une définition adéquate au supraconducteur comme étant un état particulier de la matière dans lequel le matériau perd toute sa résistance électrique à condition que leur température soit inférieure à une certaine valeur appelée température critique (Tc).

Mais il existe aussi une limite à l’intensité du courant qui le parcours (intensité critique Ic), et à l’intensité du champ magnétique auquel il est soumis (champ critique Hc).

Les matériaux supraconducteurs connus actuellement ont des Tc allant de moins d’un micro Kelvin à 138K (-135°C). Onnes découvrit par la suite plusieurs autres supraconducteurs, et il reçut en 1913 le prix Nobel de physique pour son travail sur la supraconductivité. Après cette découverte anodine qui fut bouleversée la communauté scientifique de cette époque, les scientifiques testaient tous les éléments du tableau périodique pour savoir ceux qui pouvaient devenir supraconducteurs.

Ainsi, la majorité des métaux de transition peuvent super-conduire.

A l’époque, on croyait que seuls des matériaux conducteurs pouvaient supra-conduire.

Or, trois des meilleurs conducteurs à température ambiante, le cuivre, l’or et l’argent, ne présentent aucune propriété supraconductrice, et des matériaux normalement isolants pouvaient devenir supraconducteurs. 3 Les supraconducteurs MIER 2021/2022 UFR SATIC TECHNIQUES DE SYNTHESES DES MATERIAUX Figure 1 : les éléments supraconducteurs du tableau périodique. 1 Il l’obtient de Caroline du Nord aux Etats-Unis où se trouve alors l’essentiel des ressources mondiales. La pression permettait d’atteindre des températures critiques (Tc) importantes, et certains éléments ne sont supraconducteurs qu’à de fortes pressions.

Le phosphore fut même pendant un temps le matériau supraconducteur avec la plus haute température critique, de 14K, mais seulement sous une pression de 2.5Mbar.

Des alliages métalliques permirent d’atteindre des températures critiques plus élevées, jusqu’à 23K pour un alliage de niobium et d’étain. L’aidé générale qu’on ait sur les matériaux supraconducteurs c’est que leur résistance devenait nulle à Tc ce que les distinguaient des matériaux normaux. En 1933, W.

Meissner et R.

Ochsenfeld observent qu’hormis les qualités exceptionnelles de conduction de ces métaux, ils possèdent la propriété d’exclure toute pénétration d’un champ magnétique extérieur grâce à la circulation de super-courants dans le supraconducteur.

Cet effet de non-pénétration du champ magnétique est nommé effet Meissner. Au départ, aucune théorie n’était mise en place pour pouvoir expliquer la supraconductivité.

La théorie de London et de Ginzburg et Landau, introduites respectivement en 1935 et 1950, proposèrent une description phénoménologique de la supraconductivité.

Mais celles-ci avaient leurs limites de validité, car au cours du temps, certaines découvertes contredirent ces théories, et elles furent complétées par la théorie BCS (Bardeen, Cooper, Schrieffer). Introduite en 1957, cette théorie propose une explication à la supraconductivité.

Cette remarquable théorie exige qu’en dessous de la température critique les électrons s’associent en paire, appelé paire de Cooper, ces derniers sont capables de se déplacer à travers le réseau atomique sans aucun frottement.

Cette théorie prédit que la supraconductivité ne peut pas exister en dessus d’une température d’environ 25K. Parallèlement à ces recherches, Brian Josephson prédit en 1962 les effets quantiques qui portent son nom et sont utilisés en détection ultrasensible des champs magnétiques.

La découverte de Josephson, qui laissa pantois tous les chercheurs, explique qu'un courant électrique non nul pouvait 4 Les supraconducteurs MIER 2021/2022 UFR SATIC TECHNIQUES DE SYNTHESES DES MATERIAUX circuler d'un bloc supraconducteur à un autre bloc supraconducteur séparé du premier par une mince couche isolante, en l'absence même de différence de potentiel entre les deux blocs.

Cette théorie fut vérifiée expérimentalement quelques années plus tard, ce qui valut à Josephson et Giaver de recevoir le prix Nobel en 1974. C'est en 1986, année charnière dans l'histoire des supraconducteurs, que la théorie B.C.S fut remise en cause, avec la découverte, par des ingénieurs d'IBM Zurich (Suisse), d'un supraconducteur à 34 K puis, neuf mois plus tard, à 92 K.

Ainsi virent le jour de nouvelles générations de composés tels que Ba-La-Cu-O, Y-Ba-Cu-O et Ti-Sr-Ca-Cu-O, les deux derniers permettant de dépasser la température de l'azote liquide (77 K, soit -196 °C), coûtant dix fois moins cher que l'hélium liquide et refroidissant vingt fois mieux.

Ainsi Ti-Sr-Ca-Cu-O atteignait une température critique de 125 K, laissant loin derrière la barrière psychologique de liquéfaction l'azote liquide. Cette découverte suscita l'engouement de toute la communauté scientifique, qui repartit dans la course aux supraconducteurs à « Haute Température Critique (H Tc)», espérant alors découvrir un supraconducteur à température ambiante.

Mais plus cette température augmentait et plus les performances des matériaux diminuaient, le courant pouvant être transporté sans déperditions devenant faible.

Le record de température critique reproductible fut atteint en 1995 avec une température de 164 K mais nécessitant de hautes pressions. La course aux Tc s'essoufflant faute de compréhension au niveau atomique, les recherches se sont donc orientées vers la compréhension des phénomènes physiques régissant la supraconductivité. Cette nouvelle recherche conduit à des théories qu'il est actuellement difficile de confirmer ou infirmer.

Toutefois, les scientifiques ne désespèrent pas de trouver des matériaux supraconducteurs à température ambiante. La supraconductivité est donc un phénomène dont la découverte et la compréhension s'étalent sur tout le XXème siècle, permettant l'attribution de pas moins de quatre prix Nobel, ainsi que la 5 Les supraconducteurs MIER 2021/2022 UFR SATIC TECHNIQUES DE SYNTHESES DES MATERIAUX découverte de nouveaux domaines d'utilisation liés aux nouveaux matériaux qui ont été créés.

Nul doute que cette compréhension s'étendra encore sur les siècles à venir, mais voyons d'abord les principes de fonctionnement de la supraconductivité II.

GENERALITÉS SUR LES MATERIAUX SUPRACONDUCTEURS 1.

Propriétés des matériaux supraconducteurs 1.1.

Résistivité nulle La propriété fondamentale d’un matériau supraconducteur est sa résistivité nulle (figure 1-1) en dessous d’une température bien déterminée appelé température critique noté Tc.

La température ainsi défini sépare le comportement de l’état normal du matériau de celui de son état supraconducteur.

Ceci indique que l’état supraconducteur est un nouvel état de la matière, autrement dit un état qui correspond à un arrangement particulier du système des électrons.

On peut donc dire que le franchissement de la température critique correspond à une transition de phase. Figure 1-1 Originale publiée par H.K.

Onnes montrant que le Mercure perd sa résistivité a une température juste inférieure à 4,2K 1.2 Effet MEISSNER ou diamagnétisme parfait Dans l’approche historique nous avons signalé que les matériaux supraconducteurs ont, en plus de la résistivité nulle, la capacité d’expulser le flux magnétique de l’intérieure de son volume c’est que l’on appelle diamagnétisme parfait (figure 1-2).

En effet, si l’on refroidi le supraconducteur à une température au-dessous de Tc et que l’on applique un champ magnétique extérieur faible, les lignes de champs ne pénètrent pas les matériaux supraconducteurs.

Le champ magnétique à l’intérieur du matériau B est donc nul.

Cette caractéristique appelée « effet Meissner » n’est pas une propriété d’un conducteur parfait qui est seulement caractérisé pas sa résistance nulle.

Aussi, Meissner va expliquer cette propriété du supraconducteur par l’apparition de supra-courants à la.... »