Supraconductivité

La supraconductivité est un phénomène caractérisé par l'absence de résistance électrique et l'annulation du champ magnétique — l'effet Meissner — au sein de certains matériaux dits supraconducteurs.



Catégories :

Supraconductivité - Électrotechnique

Recherche sur Google Images :


Source image : techniques-ingenieur.fr
Cette image est un résultat de recherche de Google Image. Elle est peut-être réduite par rapport à l'originale et/ou protégée par des droits d'auteur.

Page(s) en rapport avec ce sujet :

  • tuels portent sur l'utilisation de supraconducteurs `a température.... températures supraconductrice de transition, les chercheurs ont observé la su-... (source : )
Aimant en lévitation magnétique au-dessus d'un supraconducteur à haute température critique. L'expulsion du champ magnétique du matériau supraconducteur (effet Meissner) est responsable de cet effet de lévitation.

La supraconductivité (ou supraconduction) est un phénomène caractérisé par l'absence de résistance électrique et l'annulation du champ magnétique — l'effet Meissner — au sein de certains matériaux dits supraconducteurs. La supraconductivité découverte historiquement en premier, et qu'on appelle couramment supraconductivité conventionnelle, se manifeste à des températures particulièrement basses, proches du zéro absolu (-273, 15 °C).

Dans les supraconducteurs conventionnels, des interactions complexes se produisent entre les atomes et les électrons libres et amènent à la naissance de paires liées d'électrons ou de paires électrons/trous, nommées paires de Cooper, du nom du physicien (Leon Neil Cooper) qui en a expliqué l'origine en 1956. L'explication de la supraconductivité est par conséquent intimement liée aux caractéristiques quantiques de la matière. Tandis que les électrons sont des fermions, ces paires d'électrons se comportent comme des bosons, de spin égal à 0, et sont «condensées» dans un seul état quantique, sous la forme d'une condensation de Bose-Einstein.

Un effet voisin de la supraconductivité est la superfluidité ou suprafluidité, caractérisant un écoulement sans aucune résistance, c'est-à-dire qu'une petite perturbation qu'on soumet à ce type de liquide ne s'arrête jamais, de la même façon que les paires de Cooper se déplacent sans aucune résistance dans un supraconducteur.

Il existe aussi d'autres classes de matériaux, collectivement nommés «supraconducteurs non conventionnels» (par opposition à l'expression de supraconductivité conventionnelle), dont les propriétés ne sont pas expliquées par la théorie conventionnelle. Surtout, la classe des cuprates (ou «supraconducteurs à haute température critique»), découverte en 1986, présente des propriétés supraconductrices à des températures énormément plus élevées que les supraconducteurs conventionnels (la température critique des supraconducteurs à hautes température critique peut être supérieure d'un facteur 10 comparé à celle des supraconducteurs conventionnels). Cependant, ce que les physiciens nomment «haute température» reste extrêmement bas (le maximum est 133 K, soit -140 °C) [1], [2].

Bien que ce sujet soit, depuis près de deux décennies, reconnu comme le sujet principal de la physique du solide, aucune théorie n'est aujourd'hui satisfaisante pour décrire le phénomène de la supraconductivité à haute température critique.

La température de l'azote liquide -196 °C, qui peut être fabriqué industriellement, est le plus souvent prise en référence comme température en dessous de laquelle on entre dans les particulièrement basses températures. Une autre définition fait appel à des notions de changement de phase magnétique.

Historique

Le phénomène fut découvert en 1911 par un étudiant en physique, Gilles Holst, étudiant sous la direction du physicien néerlandais Kamerlingh Onnes (ce dernier s'étant ensuite approprié cette découverte). Kamerlingh Onnes aurait demandé à son étudiant de surveiller une expérience qu'ils étaient en train de mener sur les propriétés du mercure à particulièrement basse température (le domaine d'étude de prédilection de Kamerlingh Onnes). Or, l'étudiant laissa le protocole expérimental s'emballer, et atteindre par hasard des températures que le dispositif ne devait pas atteindre. Cette erreur fut néanmoins fructueuse, puisque Gilles Holst et Kamerlingh Onnes montrèrent que la résistivité électrique (ou résistance électrique) du mercure devient non mesurable en dessous d'une certaine température nommée température critique Tc. Le terme non mesurable veut dire ici que la résistance électrique du mercure chute de façon brutale au-dessous de Tc, de sorte qu'on ne peut plus la définir de façon conventionnelle. Pour cette découverte, Kamerlingh Onnes a reçu le prix Nobel de physique en 1913.

Des expériences avec de nombreux autres éléments montrèrent que certains possédaient des facultés de supraconductivité, mais d'autres non : Voici en 1913, le plomb à 7 K et en 1941, le nitrure de niobium à 16 K.

En 1933, Meissner et Ochsenfeld découvrent que les supraconducteurs repoussent le champ magnétique, un phénomène connu sous l'appellation d'effet Meissner. En 1935, les frères Fritz et Heinz London ont montré que l'effet Meissner est une conséquence de la minimisation de l'énergie libre transportée par le courant supraconducteur.

En 1950, une théorie phénoménologique dite de Ginzburg-Landau fut élaborée par Landau et Ginzburg. Cette théorie a été un succès pour expliquer les propriétés macroscopiques des supraconducteurs en utilisant l'équation de Schrödinger. Surtout, Abrikosov montra qu'avec cette théorie on peut prévoir qu'il existe deux catégories de supraconducteurs (appelés type I ou type II). Abrikosov et Ginzburg ont reçu le prix Nobel 2003 pour ce travail (Landau étant décédé en 1968).

C'est en 1950 qu'on constate que la température critique dépend de la masse isotopique.

Une théorie complète de la supraconductivité fut proposée en 1957 par Bardeen, Cooper et Schrieffer. Connue sous l'appellation de leurs initiales théorie BCS, elle explique la supraconductivité par la formation de paires d'électrons (paires de Cooper) formant alors des bosons interagissant avec des phonons. Pour leur travail, les auteurs eurent le prix Nobel de physique en 1972.

En 1959, Gorkov montra que la théorie BCS se ramène à la théorie de Ginzburg-Landau au voisinage de la température critique d'apparition de la supraconductivité.

En 1962, les premiers fils supraconducteurs (un alliage de niobium-titane) sont commercialisés par Westinghouse. La même année, Josephson prévoit théoriquement qu'un courant peut circuler à travers un isolant mince séparant deux supraconducteurs ; ce phénomène qui porte son nom : l'effet Josephson, est utilisé dans les SQUIDs. Ces systèmes servent à faire des mesures particulièrement précises de h/e, et combiné avec l'effet Hall quantique, à la mesure de la constante de Planck h. Josephson a reçu le prix Nobel 1973.

En 1986, Bednorz et Müller ont découvert une supraconductivité à une température de 35 K dans des matériaux de structure perovskite de cuivre à base de lanthane (Prix Nobel de physique, 1987).

Très rapidement en remplaçant le lanthane par de l'yttrium, i. e. en produisant de l'YBa2Cu3O7, la température critique est montée à 92 K, dépassant la température de l'azote liquide qui est de 77 K. Cela est particulièrement important car l'azote liquide est produit industriellement à bas prix et peut même être produit localement. Énormément de cuprates supraconducteurs ont été produits ensuite et les mécanismes de cette supraconductivité sont toujours à découvrir. Malheureusement, ces matériaux sont des céramiques et ne peuvent être travaillés facilement. Qui plus est , ils perdent aisément leur supraconductivité à fort champ et par conséquent les applications se font attendre. Les recherches se poursuivent pour diminuer la sensibilité aux champs et pour augmenter la température critique. Après la température de l'azote liquide, atteinte, le seuil psychologique et économique est la glace carbonique (-78, 5 °C).

Le 31 mai 2007, une équipe de physiciens franco-canadienne a publié dans la revue Nature une étude[3] qui, selon un communiqué du CNRS[4], permettrait d'avancer sensiblement dans la compréhension de ces matériaux.

En janvier 2008, l'équipe du professeur Hosono du Tokyo institute of technology a rapporté l'existence d'une nouvelle classe de supraconducteurs (les pnictides, de type ROFeAs ; où R est une terre rare) dopé avec du fluor sur le site de l'oxygène[5]. La température critique maximale était de 28 K. Cette découverte a surpris la totalité de la communauté scientifique à cause de la présence du fer dans un supraconducteur ayant une aussi haute température critique. En août 2008, il semble y avoir un consensus indiquant que le fer joue un rôle majeur dans la supraconductivité de ces matériaux. Aujourd'hui, des centaines de travaux sont publiés montrant l'enthousiasme de la communauté scientifique à propos de cette découverte. Un certain nombre de groupes ont rapporté une température critique maximale de l'ordre de 56 K dans le cas où R est une terre non magnétique. Fin mai 2008, le groupe du professeur Johrendt de l'université de Munich rapporte la supraconductivité dans le composé Ba0.6K0.4Fe2As2 avec une Tc de l'ordre de 38 K[6]. Ce composé possède une structure cristallographique particulièrement proche de celle de LaOFeAs. Cette découverte est importante car elle montre que l'oxygène n'a aucun rôle dans le mécanisme de supraconductivité dans cette nouvelle classe de supraconducteurs. Le magnétisme semble en cause, comme pour les cuprates.

Propriétés élémentaires

Un supraconducteur est un matériau qui, quand il est refroidi en dessous d'une température critique Tc, présente deux propriétés caractéristiques, qui sont :

L'existence de ces caractéristiques, communes à l'ensemble des supraconducteurs conventionnels, permettent de définir la supraconductivité comme résultant d'une transition de phase. L'étude des variations des propriétés physiques des supraconducteurs quand ils passent dans l'état supraconducteur confirme ceci et établit que la transition supraconductrice est une véritable transition de phase.

Résistivité nulle

Câbles d'alimentation des expériences du CERN : en haut, les câbles du LEP ; en bas, les câbles du LHC, supraconducteurs (même puissance).

L'absence totale de résistance électrique d'un supraconducteur parcouru par un courant limité est bien entendu leur propriété la plus connue. C'est d'ailleurs celle-ci qui a donné son nom au phénomène.

Effet Meissner

Article détaillé : Effet Meissner.

L'effet Meissner, appelé selon Walther Meissner qui l'a découvert en compagnie de Robert Ochsenfeld en 1933, est le fait qu'un échantillon soumis à un champ magnétique extérieur expulse ce dernier quand il est refroidi en dessous de sa température critique, et ce, quel que soit son état antérieur.

D'après les équations de Maxwell, dans tout matériau dont la résistance est nulle, le champ magnétique doit rester constant au cours du temps.
Cependant, l'existence de l'effet Meissner, montre que la supraconductivité ne se résume pas à l'existence d'une conductivité illimitée.

Expérimentalement, on montre l'effet Meissner en refroidissant un échantillon supraconducteur en dessous de sa température critique en présence d'un champ magnétique. Il est alors envisageable de montrer que le champ magnétique au sein de l'échantillon est nul, tandis que pour un hypothétique conducteur parfait, il devrait être égal au champ magnétique appliqué lors de la transition.

Note : certains supraconducteurs, dits de type II, ne présentent l'effet Meissner que pour de faibles valeurs du champ magnétique, tout en restant supraconducteurs à des valeurs plus élevées. (cf. infra)

[Train utilisant l'effet Meissner. |http ://www. youtube. com/watch?v=ybOHPLVzeMU&NR=1]

Théories

Théorie de Ginzburg-Landau

Article détaillé : théorie de Ginzburg-Landau.

La théorie développée par Ginzburg et Landau en 1950 introduit un paramètre d'ordre complexe ψ (r) caractérisant la supraconductivité dans le cadre général de la théorie de Landau des transitions de phase du second ordre. La signification physique de ce paramètre est que n_s(\mathbf{r}) =
{\vert \psi(\mathbf{r})\vert}ˆ2 est proportionnel à la densité d'électrons supraconducteurs (i. e. d'électrons constituant des paires de Cooper). Le postulat de départ de la théorie est que la densité d'énergie libre fs peut être développée en une série du paramètre d'ordre près de la transition supraconductrice sous la forme suivante :


f=f_{n0} + \alpha \left| \psi \right|ˆ2 + \frac{\beta}{2} \left|
\psi \right|ˆ4 + \frac{1}{2mˆ*} \left| \left(-\imath\hbar\nabla -
qˆ* \textbf{A} \right) \psi \right|ˆ2 + \frac{\mathbf{B}ˆ2}{2\mu_0}

fn0 est la densité d'énergie libre dans l'état normal en champ nul, A est le potentiel-vecteur et B est l'intensité locale de l'induction magnétique.

Les deuxième et troisième termes sont le développement au second ordre en |ψ|², le troisième peut être vu comme l'expression invariante de jauge de l'énergie cinétique associée aux «porteurs de charge supraconducteurs», de masse m* et de charge q* alors que le quatrième est simplement la densité d'énergie magnétique.

Dans l'état supraconducteur, en l'absence de champ et de gradients, l'équation précédente devient :


f_s -f_n = \alpha {\left| \psi \right|}ˆ2 + \frac{1}{2} \beta
{\left| \psi \right|}ˆ4

β est obligatoirement positif car sinon, il n'y aurait pas de minimum global pour l'énergie libre, et par conséquent pas d'état d'équilibre. Si α > 0, le minimum a lieu pour ψ = 0 : le matériau est dans l'état normal. Le cas intéressant est par conséquent celui où α < 0. On a alors, à l'équilibre, \left| \psi \right|ˆ2 = \left| \psi_\infty \right|ˆ2 \equiv -\alpha/2\beta, d'où :


f_s - f_n = \frac{{\mathbf{B}_C}ˆ2}{2\mu_0} = -\frac{\alphaˆ2}{2 \beta}

Vortex et supraconducteurs de type II

Théorie BCS

Article détaillé : théorie BCS.

Cette théorie est basée sur le couplage des électrons d'un métal en paire : les paires de Cooper. Elles forment un état unique, cohérent, d'énergie plus basse que celle du métal normal, avec des électrons non appariés.

Le problème est d'expliquer cet appariement compte tenu de la répulsion coulombienne. Dans un métal, les électrons interagissent avec le réseau cristallin constitué d'ions positifs. Ceux-ci attirent les électrons et se déplacent un peu (les ions positifs ont une grande inertie). Les physiciens ont donné le nom de phonons à ces vibrations atomiques naturelles. Cette interaction entre les électrons et les phonons est à l'origine de la résistivité et de la supraconductivité : attirés par le passage particulièrement rapide d'un électron (106 m/s), les ions se déplacent et créent une zone locale électriquement positive. Compte tenu de l'inertie, cette zone persiste tandis que l'électron est passé, et peut attirer un autre électron qui se trouve ainsi, par l'intermédiaire d'un phonon, apparié au précédent. Et ce malgré la répulsion coulombienne. L'agitation thermique finit par détruire ce fragile équilibre d'où l'effet néfaste de la température.

Une particularité des paires de Cooper est que leur moment magnétique intrinsèque (aussi nommé spin) est nul. En effet, les deux électrons appariés ont le même spin (1/2, spin caractéristique des fermions), mais de signe opposé. C'est la condition pour que l'énergie de la paire soit inférieure à la somme des énergies des deux électrons. Ils forment alors un ensemble qui se comporte comme un boson (particule de spin entier obéissant la statistique de Bose-Einstein)  : les paires se déplacent sans rencontrer la moindre résistance. D'où la supraconductivité.

La différence d'énergie entre l'état supraconducteur et l'état normal est nommée gap d'énergie. C'est l'énergie indispensable pour passer de l'état supraconducteur à l'état normal en brisant les paires de Cooper. Cette énergie tend vers zéro quand la température tend vers la température critique.

L'interaction électron-phonon joue un rôle essentiel pour l'appariement des électrons par conséquent pour la supraconductivité

Cette théorie a été imaginée avant la découverte des matériaux supraconducteurs à hautes températures critiques. Une question se pose alors : les supraconducteurs à hautes Tc contredisent-ils la théorie BCS ? Les théoriciens ne s'entendent pas sur ce sujet. Certains sont d'avis que le couplage entre les électrons n'est plus dû au réseau (donc aux phonons), mais à d'autres interactions (électroniques, magnétiques, les deux, …).
D'autres proposent des modèles entièrement nouveaux. Le sujet reste toujours ouvert…

Classes de supraconducteurs

Supraconducteurs conventionnels

Certains physiciens définissent les supraconducteurs conventionnels comme étant ceux qui sont bien décrits par la théorie BCS. D'autres, plus spécifiques, les définissent comme ayant un mécanisme de formation de paire de Cooper qui fait intervenir l'interaction électrons - phonons. [7]

Supraconducteurs non conventionnels

Les supraconducteurs non conventionnels sont les matériaux qui ont des propriétés de supraconduction mais ne se conforment pas à la théorie BCS ou à ses extensions.

Le premier supraconducteur non conventionnel fut découvert par Johannes Georg Bednorz et Karl Alexander Müller en 1985. C'est une céramique composée d'oxydes mixtes de baryum, de lanthane et de cuivre dont la température critique est d'environ 35 K (-238 °C). Cette température était bien supérieure aux plus hautes températures critiques connues à cette époque (23 K)  ; cette nouvelle famille de matériau fut nommée supraconducteur à haute température. Bednorz et Müller reçurent en 1987 le prix Nobel de physique pour leur découverte.

Depuis lors, de nombreux autres supraconducteurs à haute température ont été synthétisés. Dès 1987, on atteignit la supraconductivité au-dessus de 77 K, la température d'ébullition de l'azote, ce qui est particulièrement important pour les applications technologiques car l'azote liquide est bien moins onéreux que l'hélium liquide qui devait être utilisé jusqu'alors. Exemple YBa2Cu3O7, Tc = 95 K.
La température critique record est d'environ 133 K (-140 °C) à la pression normale et des températures un peu plus élevées peuvent être atteintes à des pressions plus élevées. Néanmoins, il est reconnu comme peu probable qu'un matériau à base de cuprate puisse atteindre la supraconductivité à température ambiante.

Cependant, ces dernières années, d'autres supraconducteurs non conventionnels ont été découverts. Parmi ceux-ci, certains ne sont pas supraconducteurs à haute température mais sont non conventionnels selon d'autres critères (par exemple, l'origine de la force à l'origine de la formation des paires de Cooper peut être différente que celle postulée par la théorie BCS)  ; mais d'autres, ayant des températures critiques ingénéralement élevées mais n'étant pas à base de cuprate ont aussi été découverts. Certains de ces derniers pourraient être des exemples de supraconducteurs conventionnels extrêmes (on suspecte que c'est le cas du diborure de magnésium MgB2, Tc = 39 K)  ; d'autres ont des caractéristiques moins conventionnelles.

Supraconducteurs exotiques

On nomme "exotique" un matériau qui peut présenter, selon la température, des phases supraconductrices autant que des phases ferromagnétiques. C'est le cas de l'ErRh4B4 qui devient supraconducteur au dessous de 8.6 K puis, quand la température baisse toujours, perd sa supraconductivité vers 0.9 K pour devenir ferromagnétique.

Ce type de matériau n'a pas trouvé d'applications pratiques jusqu'à désormais.

Applications

Magnétohydrodynamique- (voir)

Canon magnétique

Électro-aimants

La réalisation d'électro-aimants supraconducteurs forme sans doute l'application la plus courante de la supraconductivité. On les retrouve dans les domaines :

Stockage de l'énergie

Les SMES : Superconducting Magnet Energy Storage.

Une bobine supraconductrice est connectée au réseau par l'intermédiaire d'un convertisseur alternatif-continu réversible. La bobine est alimentée par le redresseur qui sert à stocker de l'énergie sous la forme ½ L×I2. En cas de besoin (défaut de la ligne) l'énergie stockée dans la bobine supraconductrice est retransférée à l'installation via l'onduleur. En France, les plus gros prototypes (plusieurs centaines de kJ) ont été réalisés à Grenoble[9], au département MCBT de l'Institut Néel avec l'aide de partenaires comme la DGA et Nexans.

La propriété de lévitation des supraconducteurs peut aussi être mise à profit pour faire du stockage d'énergie. C'est le cas des accumulateurs d'énergie cinétique rotative (par volant d'inertie, en anglais Flywheel). Dans ces applications, une roue aimantée est positionnée en lévitation au-dessus d'un supraconducteur. La roue est mise en rotation (idéalement dans le vide pour diminuer au maximum les frottements) au moyen d'un moteur (phase de charge). Une fois la roue «chargée», elle conserve l'énergie sous forme d'énergie cinétique de rotation, avec peu de perte, dans la mesure où il n'y a presque aucun frottement. L'énergie peut être récupérée en freinant la roue.

SMES et Flywheel sont par conséquent deux solutions technologiques qui pourraient remplacer une batterie respectant les traditions, quoique le maintien des températures cryogéniques soit énergivore.

Confinement électromagnétique

Dans l'objectif de réaliser la fusion thermonucléaire contrôlée : les tokamaks ou les stellarators sont des enceintes toriques au sein desquelles on confine des plasmas sous des pressions ainsi qu'à des températures énormes[10].
Voir aussi le Projet ITER.

Notes et références

  1. Il s'agit du HgBa2Ca2Cu2O8, une céramique. William D. Callister, Science et génie des matériaux, Modulo Éditeur, 2001, p. 620 (traduit en français)
  2. L'hydrogène métallique est supposé être supraconducteur à température ambiante, mais il ne peut exister que sous particulièrement haute pression ; pour les applications industrielles, ce serait énormément plus complexe à réaliser que les basses températures.
  3. Nicolas Doiron-Leyraud, Cyril Proust, David LeBœuf, Julien Levallois, Jean-Baptiste Bonnemaison, Ruixing Liang, D. A. Bonn, W. N. Hardy, Louis Taillefer, «Quantum oscillations and the Fermi surface in an underdoped high-Tc superconductor», Nature, 31 May 2007, Vol 447, pp 565-568.
  4. Voir ce communiqué de presse.
  5. Y. Kamahira et al, J. Am. Chem. Soc. 130, 3296, 2008.
  6. M. Rotter et al, arXiv :0805.4630v2 dans http ://arxiv. org/abs/0805.4630?context=cond-mat, 2008
  7. Cours de Louis Taillever, Université de Sherbrooke, janvier 2010.
  8. Site du CERN.
  9. P. Tixador, M. Deléglise, A. Badel, K. Berger, B. Bellin, J. C. Vallier, A. Allais, C. E. Bruzek. "First tests of a 800 kJ HTS SMES". IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 18 (2), pp. 774-778, June 2008.
  10. Voir : Tore Supra.

Voir aussi

Liens externes

Recherche sur Amazone (livres) :



Ce texte est issu de l'encyclopédie Wikipedia. Vous pouvez consulter sa version originale dans cette encyclopédie à l'adresse http://fr.wikipedia.org/wiki/Supraconductivit%C3%A9.
Voir la liste des contributeurs.
La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 07/04/2010.
Ce texte est disponible sous les termes de la licence de documentation libre GNU (GFDL).
La liste des définitions proposées en tête de page est une sélection parmi les résultats obtenus à l'aide de la commande "define:" de Google.
Cette page fait partie du projet Wikibis.
Accueil Recherche Aller au contenuDébut page
ContactContact ImprimerImprimer liens d'évitement et raccourcis clavierAccessibilité
Aller au menu