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théorie BCS

Modèle permettant de décrire le phénomène de la supraconductivité. Il est désigné par les initiales des noms des trois physiciens américains qui en sont les auteurs, John Bardeen, Leon Cooper et Robert Schrieffer (1957).

Ce modèle stipule que les électrons sont associés deux par deux dans l'état supraconducteur. Ces paires d'électrons, dites paires de Cooper, obéissent à des règles physiques très différentes de celles qui s'appliquent aux électrons célibataires. Les paradoxes apparemment liés à la supraconductivité disparaissent dans cette description, dont le bien-fondé est rapidement confirmé par l'observation directe des paires de Cooper et de leurs effets. Tous les ingrédients de cette théorie existaient depuis les années 1920, à savoir :

– L'effet dit condensation de Bose-Einstein, qui permet aux particules de spin entier (les bosons) de se rassembler à basse température dans le même état quantique. Elles se comportent alors comme une seule particule, qui peut présenter un comportement quantique à l'échelle macroscopique.

– Les interactions entre les électrons et les vibrations du réseau cristallin (ou phonons), qui peuvent conduire à une attraction entre électrons. Schématiquement, le passage d'un électron déforme le réseau cristallin en repoussant les charges négatives et en attirant les charges positives. Le passage d'un autre électron se fera plus facilement en raison de ce déplacement des ions, et il se comportera comme s'il était lié avec une énergie 2Δ au premier électron. Il se crée alors des paires d'électrons, les paires de Cooper, qui constituent de nouvelles particules quantiques de spin entier (bosons), bien que les électrons eux-mêmes aient un spin 1/2 et soient des fermions.

– Ces paires de Cooper sont stables tant qu'on ne leur fournit pas une énergie supérieure ou égale à 2Δ. C'est-à-dire que la gamme d'excitations possibles présente une bande interdite (un gap) de valeur 2Δ en dessous de laquelle les paires restent dans l'état fondamental sans provoquer la moindre dissipation d'énergie. Cette dernière caractéristique explique la robustesse de l'état supraconducteur. La quantité d'énergie 2Δ est ainsi du même ordre que l'énergie thermique kTc qui fait disparaître la supraconductivité. Pour les supraconducteurs où les paires de Cooper sont faiblement liées, la relation 2Δ = 3,5 kTc prévue par la théorie BCS est bien observée. Pour d'autres familles, ce rapport est différent : les cuprates se comportent, par exemple, comme s'ils avaient un gap 2Δ ≈ 6 kTc, mais la théorie BCS ne semble pas pouvoir s'appliquer à cette famille.