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supraconductivité

Phénomène présenté par certains métaux, alliages ou céramiques dont la résistivité électrique devient pratiquement nulle au-dessous d'une certaine température (appelée température critique).

Découverte en 1911, la supraconductivité apparaît dans certains métaux ou alliages refroidis à très basse température : 7,2 K (− 266 °C) pour le plomb et 1,17 K (− 272 °C) pour l'aluminium. Ses propriétés exceptionnelles (en particulier une résistance électrique nulle) sont le reflet d'un nouvel état de la matière dont les propriétés quantiques se révèlent à notre échelle.

La compréhension de la supraconductivité a fait appel aux connaissances expérimentales et théoriques de la physique quantique acquises jusqu'au milieu des années 1950 pour aboutir, en 1957, au modèle BCS, du nom de ses inventeurs : J. Bardeen, L. Cooper et J. Schrieffer. Ce modèle, qui leur a valu le prix Nobel en 1972, a été bâti en deux étapes.

Dans un premier temps, ils établirent l'existence d'une interaction attractive entre les électrons libres d'un métal, ceux participant à la conduction électrique, alors que ces électrons, porteurs d'une charge négative, auraient dû normalement se repousser. L'observation du changement de la température critique, température à laquelle se manifeste la supraconductivité, d'échantillons ne différant que par leur composition isotopique mit en évidence le rôle des ions du réseau. Un électron se déplaçant dans le réseau cristallin attire les ions sur son passage et crée ainsi dans son sillage un excès de charge positive auquel un autre électron sera sensible. Ce mécanisme se traduit par une attraction effective entre les deux électrons, qui, dans un matériau favorable, peut dominer la répulsion électrostatique.

Cette observation n'a pris tout son sens que dans la deuxième étape, quand il est apparu que toute attraction entre les électrons libres déstabilise l'état fondamental d'un métal. Il en résulte l'apparition d'un nouvel état du « gaz électronique », qui n'est plus alors formé d'électrons individuels obéissant à la statistique de Fermi-Dirac (fermions) mais de paires d'électrons, les paires de Cooper, régies par la statistique de Bose-Einstein (bosons). Ces nouvelles propriétés statistiques entraînent la condensation de toutes les paires de Cooper en un état quantique unique qui se traduit par les propriétés supraconductrices.

Dans un métal normal, les impuretés et les vibrations du réseau cristallin sont autant d'obstacles qui freinent le mouvement des électrons individuels transportant le courant électrique et créent ainsi une résistance non nulle. Dans un supraconducteur, ces mêmes obstacles ne suffisent plus à freiner l'ensemble cohérent des paires d'électrons, dont le mouvement est intimement dépendant du mouvement de toutes les autres. Une résistance électrique rigoureusement nulle, et donc un transport sans perte d'un courant électrique continu, en est la conséquence.