Supraconductivité

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Supraconductivité

  1. 1. BENMERZOUK SARAH 2GI-2 1 Les supraconducteurs A très basses températures, les propriétés électriques et magnétiques de certains matériaux tels le plomb, le mercure ou certains oxydes changent radicalement. Ces matériaux deviennent supraconducteurs : ils n’opposent plus aucune résistance au passage du courant électrique et expulsent les champs magnétiques. Ce phénomène, découvert il y a cent ans, est une manifestation particulièrement marquante de la physique quantique à l’échelle humaine : les nombreux électrons du matériau se regroupent dans une même onde quantique qui s’étend sur de très grandes distances. Aujourd’hui la supraconductivité est un domaine de recherche extrêmement actif, qu’il s’agisse d’élucider les mécanismes qui en sont à l’origine, de concevoir de nouveaux matériaux supraconducteurs ou d’étendre le champ des applications déjà nombreuses. Elle permet aussi de réaliser des lévitations spectaculaires. LES SUPRACONDUCTEURS ET LEURS FASCINANTES PROPRIÉTÉS Une fois refroidis à très basses températures, certains matériaux deviennent supraconducteurs. Non seulement ils se mettent à conduire le courant électrique de façon parfaite, mais en plus, ils font léviter les aimants. Cent ans après sa découverte, la supraconductivité reste une grande énigme et un des enjeux essentiels des sujets de recherche les plus étudiés dans les laboratoires de la physique moderne, autant pour sa compréhension du côté fondamental que pour ses nombreuses applications. De nouvelles familles de supraconducteurs ont été récemment découvertes aux propriétés remarquables, et sont au coeur des recherches actuelles. La supraconductivité est aussi étudiée à l’échelle du nanomètre, ou sous des formes analogues, dans des gaz ultra froids, ou dans de l’hélium superfluide. Autant de sujets au coeur de l’actualité scientifique. Certains pourraient changer le monde dans le futur, du stockage d'énergie aux ordinateurs quantiques. Le froid : Un facteur essentiel Le mercure est le métal où pour la première fois la supraconductivité a été observée. Pour cela, il a fallu le refroidir jusqu’à -269°C, très près du zéro absolu. Le meilleur des supraconducteurs actuellement connu ne le devient qu’en dessous de -135°C. La physique des supraconducteurs est donc intimement liée au domaine des très basses températures auquel on accède en utilisant des techniques de refroidissement liées aux liquides cryogéniques comme l’azote ou l’hélium liquide, ou d’autres méthodes toujours plus sophistiquées.
  2. 2. BENMERZOUK SARAH 2GI-2 2 La supraconductivité, c'est à quelle température ? On observe aujourd'hui la supraconductivité que lorsqu'il fait plus froid que le plus froid des endroits sur la terre : L’explication La théorie BCS : Il faudra attendre plus de 40 ans après la découverte de la supraconductivité pour que trois physiciens, Bardeen, Cooper et Schrieffer, parviennent enfin à trouver la bonne explication de la supraconductivité dans les métaux, en 1957. Ils proposent dans un modèle théorique (appelé depuis « BCS ») que les électrons se regroupent par paire, et forment ensemble une onde collective de nature quantique. La nature de cette onde collective permet de comprendre toutes les propriétés des supraconducteurs et de prévoir le comportement de leurs grandeurs caractéristiques. Cette théorie BCS a été depuis vérifiée par de nombreuses expériences dans les métaux et les alliages. A l’échelle microscopique, la physique quantique nous apprend que dans un métal, les électrons se comportent comme des ondes périodiques étalées sur plusieurs atomes indépendantes les unes des autres. Dès qu’un défaut se présente, ou que l’un des atomes du réseau cristallin vibre, ces ondes sont perturbées. A très basse température, quand un métal devient supraconducteur, ses électrons s’associent par paire. Toutes les paires d'électrons se superposent alors les unes aux autres pour former une seule onde quantique qui occupe tout le matériau. Cette onde tout à fait particulière devient insensible aux défauts du matériau : ils sont trop petits pour freiner l’ensemble de l’onde. La résistance électrique a disparu. L’idée centrale de la théorie BCS repose sur la nature quantique des électrons. Dans un métal, les électrons sont des ondes. Chacun de ces électrons est relativement indépendant et suit son propre parcours sans trop se soucier des autres électrons. Dans un supraconducteur, une grande partie de ces électrons se rassemble pour former une grande onde collective. En quantique, on parlera de fonction d’onde quantique macroscopique, ou encore de condensat. Une fois formée, cette onde collective impose à chacun de ses participants d’avancer à la même vitesse. Dans un métal, un électron individuel est facilement dévié par un défaut comme un atome trop gros. Mais dans le supraconducteur, ce même électron ne pourra être dévié que si, au même moment, tous les autres électrons de l’onde collective sont déviés de la même manière. Le défaut atomique est bien incapable de faire cela, et l’onde n’est donc plus déviée, donc plus freinée : elle superconduit ! Les matériaux supraconducteurs K. Onnes découvre la supraconductivité dans le mercure mais il se rend vite compte que d’autres métaux comme l’étain, le plomb ou l’aluminium sont aussi supraconducteurs. En fait, plus de la moitié des éléments de base de la classification périodique sont supraconducteurs si on les refroidit suffisamment. Dans certains cas, il faut en plus appliquer une pression sur le matériau. Les chimistes et les physiciens ont travaillé à inventer ou tester des matériaux supraconducteurs pour améliorer leurs performances : des supraconducteurs à moins basse température donc à température critique plus élevée, ou bien qui résistent à des champs magnétiques plus élevés ou à des courants électriques plus forts. Ces matériaux sont la plupart du temps artificiels et synthétisés en laboratoire : ils n’existent pas à l’état naturel.
  3. 3. BENMERZOUK SARAH 2GI-2 3 On distingue parfois les « supraconducteurs classiques » et les « nouveaux supraconducteurs » selon qu’ils supraconduisent à basse température ou moins basse température. Mais il n’y a pas vraiment de frontière et cette définition est floue. Une autre classification possible repose sur le mécanisme à l’origine de la supraconductivité : les supras « classiques » obéissent à la théorie BCS, alors que les « nouveaux » n’y obéissent pas ou bien la question n’est pas encore tranchée. On parle aussi parfois de « supraconducteurs à haute température critique», ce qui désigne en général les cuprates, les supraconducteurs les plus « chauds », mais ce que les physiciens appellent « haute température » reste ici inférieur à -135°C ! Parmi les supraconducteurs classiques, les plus utilisés à ce jour sont des alliages de la famille A15, notamment le NbTi (alliage de niobium et titane) supraconducteur sous 9 kelvins (-264°C) et résistant jusqu’à 15 teslas ou le plus performant et plus cher Nb3Sn (alliage de niobium et étain) supraconducteur sous 18 kelvins (-255°C) et résistant à des champs jusqu’à 30 teslas. Ce sont ces alliages qui sont par exemple utilisés dans les IRM. Le magnétisme Les aimants produisent des champs magnétiques et possèdent des pôles. Dès qu’on s’écarte de l’aimant, le champ décroît fortement, et ne vaut plus qu’un centième de tesla à quelques centimètres de l’aimant. Plus l’aimant est grand, moins vite le champ décroit quand on s’en écarte. L’aimant tire son magnétisme de ses électrons. Un électron porte en effet lui-même un tout petit aimant quantique, appelé spin. Si les spins de certains électrons dans un matériau s’alignent tous parallèlement, l’effet de tous ces petits aimants s’ajoute et on obtient un vrai aimant. Certains matériaux ne sont pas des aimants mais se collent aux aimants, comme l’acier ou le fer. On les appelle « magnétiques ». Cela vient de ce qu’au coeur de ces matériaux, il y a là aussi des spins parallèles comme dans un vrai aimant, mais seulement par domaines. Les domaines n’étant pas parallèles entre eux, l’aimantation totale est nulle. Par contre, quand on approche un aimant de ce matériau magnétique, tous les domaines se remettent parallèles entre eux et parallèles à l’aimant, et le matériau devient à son tour un aimant. Pour produire un champ magnétique, on peut aussi utiliser une bobine de fil métallique dans laquelle on fait passer un courant électrique. Ce courant va induire un champ magnétique orienté perpendiculairement à la bobine. Les supraconducteurs peuvent servir à faire de telles bobines et à produire ainsi des champs magnétiques encore plus élevés que les meilleurs des aimants. C’est ainsi par exemple que fonctionnent les bobines d’IRM d’hôpital, où le champ vaut 1 tesla. On sait actuellement faire des champs magnétiques jusqu’à plusieurs dizaines de teslas en laboratoire.

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