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Supraconductivité La supraconductivité (ou supraconduction) est un phénomène ca

Supraconductivité La supraconductivité (ou supraconduction) est un phénomène caractérisé par l'absence de résistance électrique et l'expulsion du champ magnétique — l'effet Meissner — à l'intérieur de certains matériaux dits supraconducteurs. La supraconductivité découverte historiquement en premier, et que l'on nomme communément supraconductivité conventionnelle, se manifeste à des températures très basses, proches du zéro absolu (−273,15 °C). La supraconductivité permet notamment de transporter de l'électricité sans perte d'énergie. Ses applications potentielles sont stratégiques. Dans les supraconducteurs conventionnels, des interactions complexes se produisent entre les atomes et les électrons libres et conduisent à l'apparition de paires liées d'électrons, appelées paires de Cooper. L'explication de la supraconductivité est intimement liée aux caractéristiques quantiques de la matière. Alors que les électrons sont des fermions, les paires d'électrons se comportent comme des bosons de spin égal à 0 nommé singlet, et sont « condensées » dans un seul état quantique, sous la forme d'un superfluide de paires de Cooper. Un effet similaire de la supraconductivité est la superfluidité, caractérisant un écoulement sans aucune résistance, c'est-à-dire qu'une petite perturbation que l'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 également d'autres classes de matériaux, collectivement appelés « supraconducteurs non conventionnels » (par opposition à la dénomination de supraconductivité conventionnelle), dont les propriétés ne sont pas expliquées par la théorie BCS. En particulier, la classe des cuprates (ou « supraconducteurs à haute température critique »), découverte en 1986, présente des propriétés supraconductrices à des températures bien plus élevées que les supraconducteurs conventionnels. Toutefois, ce que les physiciens nomment « haute température » reste extrêmement bas comparativement aux températures à la surface de la Terre (le maximum est , soit −140 °C)1, mais sont parfois au-dessus de la température de liquéfaction de l'azote en azote liquide à 77K. Bien que ce sujet soit, depuis le début des années 1990, un des sujets les plus étudiés de la physique du solide, en 2010 aucune théorie unique ne décrit de façon satisfaisante le phénomène de la supraconductivité non-conventionnelle. La théorie des fluctuations de spin est une des plus prometteuses et permet de reproduire beaucoup des propriétés de l'hélium 3, des fermions lourds ainsi que des cuprates. Dans cette théorie, l'appariement se fait par échange de fluctuations de spin, toutefois aucun consensus n'est à ce jour établi. Cette théorie pourrait également permettre d'expliquer la supraconductivité des supraconducteurs à base de fer. 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. Sommaire  1Historique  2Propriétés élémentaires o 2.1Résistivité nulle o 2.2Effet Meissner  3Théories o 3.1Théorie de Ginzburg-Landau o 3.2Supraconducteurs de type I o 3.3Supraconducteur de type II o 3.4Théorie BCS  4Classes de supraconducteurs o 4.1Supraconducteurs conventionnels o 4.2Supraconducteurs non conventionnels  5Supraconductivité calorifique  6Applications o 6.1Canon magnétique o 6.2Électroaimants o 6.3Transport de l'énergie o 6.4Stockage de l'énergie o 6.5Confinement électromagnétique o 6.6Cavités radiofréquences/accélérateurs de particules o 6.7Métamatériaux supraconducteurs  7Existe-t-il un équivalent photonique de la supraconductivité ?  8Prix Nobel pour la supraconductivité  9Notes et références  10Voir aussi o 10.1Articles connexes o 10.2Liens externes Historique[modifier | modifier le code] Le liquéfacteur d'hélium utilisé par K. Onnes et son équipe lors de la découverte de la supraconductivité dans le mercure - Museum Boerhaave, Leiden. Le phénomène est découvert en 1911 par le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes et son équipe composée de Gilles Holst, Cornelis Dorsman, et Gerit Flim. Kamerlingh Onnes avait réussi à liquéfier pour la première fois de l'hélium en 1908, ce qui lui avait permis de mener des mesures physiques jusqu'à des températures de 1,5 K (-271,6 °C). Il avait alors entrepris un programme de mesures systématiques des propriétés de la matière à très basse température, en particulier la mesure de la résistance électrique des métaux. Le 8 avril 1911, l'équipe mesure que la résistivité électrique (ou résistance électrique) du mercure devient nulle en dessous d’une certaine température appelée température critique Tc, de l'ordre de 4,2 K pour le mercure. C'est la première observation d'un état supraconducteur, bien qu'à cette époque on pût le confondre avec un conducteur idéal. Une rumeur attribue le mérite de la découverte au seul Gilles Holst (un étudiant de K. Onnes), mais le cahier d'expérience découvert ensuite, écrit de la main même de Kamerlingh Onnes, montre que ce dernier était bien aux commandes de l'expérience ce jour-là, Gilles Holst mesurant la résistance électrique avec un Pont de Wheatstone, Cornelis Dorsman, et Gerit Flim s'occupant des aspects de cryogénie2. Pour l'ensemble de son travail sur la liquéfaction de l'hélium et l'utilisation de l'hélium liquide, Kamerlingh Onnes reçoit le prix Nobel de physique en 1913. Animation expliquant la courbe obtenue par K. Onnes montrant la découverte de la supraconductivité Des expériences avec de nombreux autres éléments montrent que certains possèdent des facultés de supraconductivité et d'autres non : en 1922, notamment, le plomb à −266,15 °C3 ; et en 1941, le nitrure de niobium à 16 K4. En 1933, Meissner et Ochsenfeld découvrent la seconde caractéristique de l'état supraconducteur, le fait qu'il repousse le champ magnétique, un phénomène connu sous le nom d'effet Meissner 5 . En 1935, les frères Fritz et Heinz London montrent que l'effet Meissner est une conséquence de la minimisation de l'énergie libre transportée par le courant supraconducteur6. En 1950 on constate que la température critique dépend de la masse isotopique7,8. En 1950 encore, une théorie phénoménologique dite de Ginzburg-Landau est élaborée par Lev Landau et Vitali Ginzburg 9 . Cette théorie explique les propriétés macroscopiques des supraconducteurs près de leur transition de phase en utilisant l'équation de Schrödinger. En particulier, Alexei Abrikosov montre qu'avec cette théorie on peut prévoir l'existence de deux catégories de supraconducteurs (types I et II)10. Abrikosov et Ginzburg recevront le prix Nobel en 2003 pour ce travail (Landau est décédé en 1968). En 1957, un chimiste Hollandais découvre le premier supraconducteur organique-synthétique, le ditétraméthiltétrasélénofulvalinehexafluorophosphate[réf. nécessaire]. Une théorie complète de la supraconductivité est proposée en 1957 par John Bardeen, Leon Cooper et John Schrieffer 11 . Connue sous le nom de théorie BCS (d'après leurs initiales), elle explique la supraconductivité par la formation de paires d'électrons (paires de Cooper) formant alors des bosons et permettant la condensation. Selon cette théorie, l'appariement des électrons se fait grâce à une interaction attractive entre ceux-ci, causée par leur couplage avec les vibrations du réseau qu'on appelle phonons. Pour leur travail, les auteurs recevront le prix Nobel de physique en 1972. En 1959, Gorkov montre que la théorie BCS se ramène à la théorie de Ginzburg-Landau au voisinage de la température critique d'apparition de la supraconductivité12. En 1962, les premiers fils supraconducteurs (en alliage de niobium-titane) sont commercialisés par Westinghouse. La même année, Brian Josephson prévoit théoriquement qu'un courant peut circuler à travers un isolant mince séparant deux supraconducteurs13. Ce phénomène, qui porte son nom (l'effet Josephson), est utilisé dans les SQUIDs. Ces dispositifs servent à faire des mesures très précises de h/e et, combiné avec l'effet Hall quantique, à la mesure de la constante de Planck h. Josephson recevra le prix Nobel en 1973. En 1979, Frank Steglich confirme la présence d'une phase supraconductrice dans CeCu2Si2 14, un matériau constitué d'atomes magnétiques et dont les électrons sont tellement corrélés que leur masse effective atteint parfois des centaines de fois celle de l'électron libre. Ces caractéristiques étant si différentes de celles des supraconducteurs conventionnels, une nouvelle classe est constituée : les fermions lourds. D'autres matériaux de cette famille avaient déjà été étudiés par B. T. Matthias dans les années 1960 15 , mais sans convaincre la communauté scientifique. En 1986, Johannes Bednorz et Karl Müller découvrent une supraconductivité à −238,15 °C dans des matériaux de structure perovskite de cuivre à base de lanthane 16 (prix Nobel de physique 1987). Cette découverte ravive la recherche de matériaux ayant des températures critiques de plus en plus hautes. Très rapidement, les scientifiques remarquent que la température critique de ce matériau augmente avec la pression. En remplaçant le lanthane par de l'yttrium, c'est-à-dire en produisant le composé YBa2Cu3O7, la température critique monte à −181,15 °C17, dépassant la température de l'azote liquide (77 K). C'est très important car l'azote liquide est produit industriellement à bas prix, et peut même être produit sur place. Beaucoup de cuprates supraconducteurs sont produits par la suite, mais les mécanismes de cette supraconductivité restent à découvrir. Malheureusement, ces matériaux sont des céramiques et ne peuvent pas être travaillés aisément. De plus, ils perdent facilement leur supraconductivité à fort champ magnétique et donc les applications se font attendre. Les recherches se poursuivent pour diminuer la sensibilité au champ et pour augmenter la température critique. Après la température de l'azote liquide, le second seuil économique (et psychologique) est celle de la glace carbonique, 195 K (−78,5 °C). Le 31 mai 2007, une équipe de physiciens franco-canadienne publie dans la revue Nature une étude18 qui, selon un communiqué du CNRS 19 , uploads/Philosophie/ tp-luc-supraconductivite.pdf