Matériau qui présente le phénomène de supraconduction.

Propriétés

Supraconducteur

Les supraconducteurs de type I excluent tout champ magnétique et possèdent un faible champ magnétique critique au-delà duquel ils reviennent à l'état normal. Au contraire, ceux de type II laissent un champ magnétique extérieur les pénétrer partiellement sous forme de petits tubes de flux magnétique, les vortex. La densité de courant maximale admissible (ou courant critique) dépend étroitement du comportement magnétique du matériau puisqu'il est soumis au champ créé par le courant qu'il transporte. En pratique, ce sont les supraconducteurs de type II, plus souples, qui possèdent les meilleures caractéristiques, c'est-à-dire les valeurs les plus élevées de température de champ et de courant critiques, ce qui leur ouvre le vaste domaine de la production de champs magnétiques intenses.

Matériaux supraconducteurs

Les plus couramment utilisés sont, d'une part, des alliages ductiles comme l'alliage niobium-zirconium (NbZr) et surtout niobium-titane (NbTi), d'autre part, des composés intermétalliques tels que niobium-étain (Nb₃Sn), qui ont de meilleures caractéristiques supraconductrices mais présentent l'inconvénient d'être cassants.

Les premiers matériaux supraconducteurs à haute température critique (35 K), des oxydes de cuivre et de terres rares (céramiques), n'ont été découverts qu'en 1986. Les auteurs de cette découverte, révolutionnaire pour la supraconductivité, J. G. Bednorz et K. A. Müller, ont reçu dès 1987 le prix Nobel de physique. En quelques mois, plusieurs équipes découvrent de nombreux composés analogues, de température critique souvent plus élevée encore. En 1993, deux équipes françaises élaborent des matériaux présentant certains des critères de supraconductivité à des températures proches des températures ambiantes ; l'une, à l'École supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (E.S.P.C.I.), obtient une température critique (résistance nulle) de − 23 °C ; l'autre, au C.N.R.S. à Grenoble, observe du diamagnétisme à des températures variant de − 63 °C à + 7 °C.

Ces composés complexes forment une classe originale : ce sont des oxydes, assez mauvais conducteurs à température ambiante. Leur structure cristalline est de type lamellaire et leurs propriétés physiques sont fortement anisotropes. Par ailleurs, le mécanisme conduisant à la supraconductivité dans ces céramiques est toujours débattu.

Plus récemment, ont été mises en évidence les propriétés supraconductrices à haute température critique (117 K) des fullerènes de formule C₆₀ (sous champ électrique). On a aussi découvert que le diborure de magnésium MgB₂ devient supraconducteur à 39 K. Ce matériau présente l'avantage de pouvoir laisser passer de forts courants électriques ; par ailleurs, sa chimie et sa mise en forme sont nettement plus faciles à maîtriser que celles des céramiques supraconductrices.

Applications

Les supraconducteurs à champ élevé sont principalement utilisés en physique des hautes énergies, notamment pour les accélérateurs de particules, les anneaux de stockage, le confinement magnétique des plasmas pour la fusion nucléaire (installations du type tokamak). En électrotechnique, divers prototypes ont été étudiés pour le transport et la production d'énergie électrique : lignes, transformateurs, moteurs et générateurs. Des filtres micro-ondes à supraconducteurs sont utilisés dans les réseaux de télécommunications mobiles et les radars. Comme on obtient aisément, de façon industrielle, une température de 77 K grâce à l'azote liquide, l'obstacle des basses températures, soumis à l'utilisation de l'hélium liquide, a disparu pour les applications à grande échelle de la supraconductivité. Cependant, la recherche et le développement nécessaires sont en cours et les domaines qui déboucheront sur des applications sont difficiles à déterminer. On cite l'obtention de champs magnétiques intenses (de plusieurs centaines de teslas) utilisables dans les transports, par exemple avec les projets de trains à sustentation magnétique. Des connexions sans pertes dans les ordinateurs sont aussi envisagées. Ces applications supposent d'abord que ces composés, obtenus sous forme de grains, puissent être transformés en fils ou déposés en couche mince, technique qui n'en est encore qu'à ses débuts.

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

Supraconducteur

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.