L'électronique

Les supraconducteurs
Auteurs : Equipe La main à la pâte(plus d'infos)
Résumé :
Dans un métal normal, les atomes libèrent les électrons qui peuvent se déplacer de façon assez libre à l'intérieur du solide, ce qui ne se fait pas sans perte. Une résistance électrique existe, qui provient des collisions que subissent ces électrons avec le réseau. Mais dans un métal à l'état supraconducteur, tout se passe comme si cette résistance électrique devenait nulle.
Publication : 1 Avril 1998

En 1911, le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes découvrait que, pour certains métaux, un changement brusque de leurs propriétés physiques se produit quand on les refroidit à des températures extrêmement basses, à peine quelques degrés au-dessus du zéro absolu (correspondant à - 273 °C). En particulier, la résistance électrique de ces matériaux devient inférieure à toute valeur mesurable, de sorte qu'un courant électrique continu peut y circuler sans dissipation d'énergie, donc quasi indéfiniment. On dit qu'il y a transition de l'état normal (c'est-à-dire conducteur) à l'état supraconducteur. Cette transition intervient à une température qualifiée de " critique ".

Dans un métal normal, les atomes, régulièrement disposés au sein dun réseau, libèrent les électrons qui leur sont les moins liés, chaque atome devenant de ce fait un ion positif. Ces électrons, appelés électrons de conduction, peuvent se déplacer de façon assez libre à lintérieur du solide. Leur mobilité leur permet de transporter un courant électrique au sein du métal, ce qui ne se fait pas sans perte. Une résistance électrique existe, qui provient des collisions que ne manquent pas de subir ces électrons avec le réseau. Les atomes vibrent autour de leur position moyenne, de sorte que le réseau est parcouru d'ondes de vibration. Or la physique quantique attribuant à ces ondes, comme à toutes les autres, un aspect corpusculaire, on peut leur associer des corpuscules, appelés photons (qui sont aux ondes de vibration de ce que les photons sont aux ondes électroniques). C'est avec ces corpuscules associés aux ondes de vibration du réseau que les électrons de conduction entrent en collision et échangent de l'énergie.

Mais dans un métal à l'état supraconducteur, tout se passe comme si les électrons se trouvaient soudainement libérés de toute interaction avec le réseau, la résistance électrique devenant nulle.

Les physiciens ont vite été convaincus que la supraconductivité ne pouvait être qu'un phénomène d'origine quantique. En 1950 fut émise l'idée que les électrons de conduction dans un métal pouvaient interagir entre eux par le biais du réseau atomique. Il fallut sept années d'efforts pour construire autour de cette idée une théorie microscopique satisfaisante de la supraconductivité. Elle s'appelle la théorie BCS, d'après les initiales de ses inventeurs : John Bardeen, Leon N. Cooper et John Schrieffer (tous trois prix Nobel de physique en 1972).

Cette théorie explique qu'à très basse température, les électrons s'apparient, en quelque sorte se mettent en couple. On dit qu'ils forment des paires de Cooper. Cet état, sinon conjugal, du moins ordonné résulte de l'existence d'une attraction entre électrons par l'intermédiaire de vibrations du réseau atomique, qu'on peut schématiser ainsi : un électron de conduction se déplaçant dans le métal provoque sur son passage une déformation locale et momentanée du réseau par l'attraction qu'il exerce sur les ions positifs. Ces ions se déplaçant, ils créent un excédent de charge positive. Un deuxième électron sera soumis à cet excédent de charge positive qui a fait écran à la charge négative du premier électron. Comme les électrons circulent beaucoup plus vite que les ions (qui sont nettement plus lourds), le deuxième électron sent l'effet prolongé de la charge positive quand le premier électron est loin de lui. L'interaction entre les deux électrons a donc une grande portée. Les paires d'électrons ainsi formées se déplacent sans dissipation d'énergie dans le réseau cristallin.

Les électrons sont des fermions, c'est-à-dire des particules qui ne peuvent se trouver au même endroit dans le même état physique. Mais la véritable explication théorique de la supraconductivité à très basse température repose sur le fait que les paires de Cooper, constituées de deux électrons, forment en définitive des bosons qui, eux, peuvent s'agglutiner en grand nombre dans le même état physique, en l'occurrence l'état de plus basse énergie. Elles ne peuvent alors pas perdre d'énergie par dissipation, et se propagent donc sans résistance. Tout se passe comme si, pour elles, tous les mécanismes de perte avaient disparu. Cette grégarisation d'un grand nombre d'électrons appariés dans un seul et même état physique est ce que les physiciens appellent une condensation de Bose-Einstein.

Faisant référence à cette explication, de très nombreux physiciens étaient convaincus que le mécanisme de la supraconductivité ne permettait pas d'obtenir des températures critiques supérieures à une trentaine de kelvins (au-delà, l'agitation thermique casse les paires). C'est pour cette raison que la découverte des Suisses Johannes Georg Bednorz et Karl Alexander Müller, en 1986, a connu un retentissement considérable : la supraconductivité était découverte dans un oxyde synthétique de cuivre, lanthane et baryum à une température critique de 35 K (- 238 °C), plus élevée que toutes celles connues jusqu'alors. Une température critique supérieure à la température de l'azote liquide (77 K, soit - 196 °C) fut rapidement atteinte dans un oxyde similaire. L'espoir est ainsi né de pouvoir synthétiser des supraconducteurs à température ambiante, bien qu'aucune théorie satisfaisante n'ait encore donné la clé de cette " supraconductivité à haute température ".

"Le Trésor, dictionnaire des sciences" © Flammarion 1997. Ce texte ne peut être ni reproduit, ni vendu