Histoire
C’est en 1911 que le physicien néerlandais, Kamerlingh Onnes, découvre la supraconductivité.
Tout commence par l’hélium liquide qu’il parvint à obtenir par compression et refroidissement de l’hélium gazeux grâce à de l’hydrogène liquide, suivis d’une décompression soudaine. Cela aboutit à la liquéfaction de l’hélium, qui, dans cet état de matière, est à une température proche du zéro absolu. Le zéro absolu est cette température la plus basse possible à laquelle les atomes ne transmettent plus d’énergie, en d’autres termes, se figent. Il correspond à O degré Kelvin, soit -273.15 degré Celsius ou -459.67 degrés Fahrenheit.
Il obtient le Prix Nobel de Physique en 1913 pour son travail sur les propriétés de la matière ayant permis d’obtenir de l’hélium liquide.
Il décide alors d’étudier les propriétés d’autres métaux lorsqu’ on les refroidit à cette très basse température et recherche plus particulièrement leur résistance électrique. Il refroidit donc le mercure à température de l’hélium liquide et réalise que la résistance de ce métal devient nulle. C’est le début de la supraconductivité, c’est-à-dire de ce phénomène qui fait qu’à très basse température, certains métaux, comme le mercure, ou le plomb, n’offrent plus aucune résistance au passage du courant électrique et expulsent les champs magnétiques. A cette température, ils deviennent des supraconducteurs.
Mais ce phénomène est inexplicable en physique classique.
En 1957, les physiciens américains John Bardeen, Leon Neil Cooper et John Robert Schrieffer formulent la théorie BCS, acronyme regroupant les initiales de ses trois inventeurs, qui va expliquer ce phénomène de supraconductivité par la physique quantique. Leur théorie explique que les très nombreux électrons du métal se regroupent dans une onde quantique qui s’étend sur une très longue distance.
Les trois physiciens seront récompensés pour cette découverte en 1972 lorsque le prix Nobel de Physique leur est décerné. Leur théorie est la seule qui décrive la supraconductivité de tous les matériaux à l’échelle microscopique aujourd’hui, exceptée celle des nouvelles familles de supraconducteurs découverts par la suite, comme les cuprates, par exemple.
En 1986, les physiciens allemands, Karl Alex Müller et Johanne George Bednorz , découvrent cette nouvelle famille de supraconducteurs à base d’oxydes de cuivre, les cuprates céramiques.
Ils obtiennent eux aussi le Prix Nobel de Physique pour ces résultats, en 1987.
Grâce à cette découverte, on obtiendra un an plus tard, de la supraconductivité à la température de 93K. C’est le début de la HTS, la supraconductivité à haute température.
En 2008, le japonais Hideo Hosono et son équipe de l’institut technologique de Tokyo, découvrent une autre famille de supraconducteurs : les pnictures. Ce sont des semi-métaux à base de fer et d’arsenic. Ils ont la deuxième température critique la plus élevée après les cuprates : le matériau devient supraconducteur à partir de 56K.
I-Qu'est ce que la supraconductivité
Conductivité "classique"
La conductivité électrique est l’aptitude d'un matériau à laisser passer le courant. Elle dépend de plusieurs facteurs comme le nombre d’électrons de valence, du matériau, de la concentration du matériau, de la température, etc…La conductivité est l’inverse de la résistivité.
Cette grandeur physique σ, est égale au rapport de la densité de courant électrique j traversant la substance au champ électrique appliqué :
E (j = σE). L'unité SI de conductivité électrique est l'ohm−1. mètre−1 (Ω−1. m−1), ou siemens par mètre (S. m−1).
Certains matériaux sont très conducteurs. On dit aussi qu’ils ont une faible résistivité. Le cuivre est l'un des meilleurs conducteurs. Il est présent en grande quantité sur la planète. Ces deux critères font qu’il est utilisé dans la plupart des dispositifs électriques, câbles et fils.
La conductivité en physique quantique :
Le document ci-dessous illustre le comportement des électrons (en rouge) dans le cas d’une conductivité normale. Ils s’éparpillent et résistent au courant envoyé.
Différence avec la supraconductivité
J.Kamerlingh Onnes a montré qu’à partir d'un certain seuil de température, proche du zéro absolu, et qui dépendra du matériau utilisé, la résistivité et la résistance électrique deviennent nulles, on appelle cela la supraconductivité. Le matériau devient supraconducteur car il conduit le courant électrique sans ralentissement et sans échauffement. Il n’y a plus de résistance électrique.
La température seuil est appelée température critique Tc et est propre à chaque matériau. J.K. Onnes se sert de l’hélium liquéfié pour refroidir le mercure à une température approchant sa température critique (4,2 kelvins), proche du zéro absolu, et ainsi mettre en évidence l’existence de cette supraconductivité. Il réalise aussi que d’autres métaux sont supraconducteurs comme le plomb et le cuivre.
A ce stade, ce phénomène est constaté mais la physique classique seule, ne peut l’expliquer.
Les trois physiciens américains, John Bardeen, Leon Neil Cooper and John Robert Schrieffer, formulent la théorie BCS qui permet d’expliquer ce phénomène par la physique quantique.
Lorsqu'un courant électrique passe dans un matériau, celui-ci résiste. Les électrons responsables du courant électrique subissent des chocs, ce qui les ralentit. Ils se dispersent et résistent au courant. Lorsqu'un matériau supraconducteur atteint sa température critique, les électrons se regroupent par paires, appelés les Paires de Copper et forment ensemble une onde collective unique, de même phase et de même énergie. Cette onde est formée d'un très grand nombre d'électrons. Les électrons étant organisés ne subissent plus de choc, il n’y a donc plus de ralentissement. En d’autres termes, le matériau ne résiste plus au courant. Il n’y alors plus ni perte d’énergie, ni d’échauffement.L’électricité passe alors librement, sans aucune perte d’énergie.
Une paire d'électrons forme une onde.
Elles finissent par former une onde unique : il n'y a plus de chocs donc plus d'échauffements et de ralentissements.
Toutes les ondes, de même phase se regroupent.
Kamerlingh Onnes
Leon Neil Cooper
John Robert Schrieffer
John Bardeen
La résistivité est une caractéristique intrinsèque du matériau qui forme le conducteur. Elle caractérise donc un matériau sur sa capacité à laisser le courant passer. Etant la réciproque de la conductivité, elle dépend des mêmes facteurs.
Elle s’exprime en ohm. mètre (Ω. m). On la représente par : ρ (rhô).
Elle varie par exemple, de 1,7. 10-8 pour un très bon conducteur comme le cuivre à 7,5.1017pour un bon isolant comme le quartz fondu.
La résistivité d'un matériau est aussi relative à sa résistance.
La résistance électrique est la capacité (la «force ») d'un composant à opposer une résistance forte lors du passage du courant.
La résistance s’exprime en ohm et se calcule par la loi d'Ohm, qui est une Loi Fondamentale de l'électricité applicable aux dipôles ohmiques. Elle exprime la relation entre l'intensité I et la résistance R et la différence de potentiel, ou tension U.
U = R x I
U en volts
R en ohms
I en ampères
La résistance d’un fil de section S et de longueur l fabriqué dans un matériau de résistivité ρ, se calcule aussi comme suit :
R = ρ . l / S
R en ohms
ρ en Ω. M
l en m
S en m2
La résistance d'un fil de longueur unité (1m) et de section unité (1m2), réalisé avec ce matériau est donc égale à la résistivité de ce matériau.
Cette théorie permet de comprendre la supraconductivité des métaux, mais on cherche encore une explication pour les cuprates et les pnictures, deux autres familles de supraconducteurs. On les appelle aussi supraconducteurs non-conventionnels, car contrairement aux supraconducteurs conventionnels, leur supraconductivité ne peut s’expliquer par la théorie de BCS.
Les cuprates, ou cuprates céramiques, furent découverts en 1986 par les physiciens allemands, Karl Alex Müller et Johannes George Bednorz . Ce sont des composés supraconducteurs à haute température basés sur des associations d'atomes de cuivre et d'oxygène avec d'autres éléments.
Et très récemment, en 2008, le physicien Hideo Hosono et son équipe, découvrent les pnictures. Un pnicture est un composé chimique basé sur un élément de la famille des pnictogènes, c'est-à-dire un élément de la quinzième colonne du tableau de Mendeleïev (azote N, phosphore P, arsenic As, antimoine Sb, bismuth Bi, etc.) . Ils ressemblent aux cuprates, car ils sont constitués de feuillets contenant des atomes d’oxygène et de cuivre. Mais ils contiennent, eux, des atomes de fer et d’arsenic. De façon surprenante, ces matériaux peuvent être à la fois magnétiques et supraconducteurs, deux propriétés qui s’opposent. On pense qu'ils pourraient contenir des clés pour concevoir et fabriquer des supraconducteurs à température ambiante. En effet, on a émis l'hypothèse que des interactions magnétiques, et non plus l'existence de phonons, joueraient un rôle central dans la formation des paires de Cooper responsables de l'état supraconducteur d'un matériau.
Ce qui caractérise les cuprates et les pnictures est le fait qu’ils aient une température critique élevée : 93K pour les cuprates et 56k pour les pnictures, qui correspondent à -180,15 °celsius et – 217,15° celsius. Ces hautes températures vont permettre d’envisager davantage d’applications de la supraconductivité, ce qui explique l’engouement pour ces recherches sur les supraconducteurs.
L’engouement provient aussi du fait que les physiciens effectuent encore des recherches pour comprendre pourquoi tel matériau est supraconducteur, et quel matériau ne l’est pas. Ainsi, certains très bons conducteurs (tels que l’or et l’argent) ne sont pas supraconducteurs alors que d’autres matériaux qui ne sont pas conducteurs (comme les cuprates) deviennent supraconducteurs à basse température.