La supraconductivité est un phénomène survenant dans certains matériaux dits "supraconducteurs" au-delà d’un certain seuil de température. Ce phénomène physique, qui est l’objet de nombreuses recherches depuis sa découverte en 1911, a d’ores et déjà des applications intéressantes et ouvre de grandes perspectives pour l’avenir.
Qu'est-ce que la supraconductivité ?
La supraconductivité est la propriété que présentent certains matériaux de conduire le courant électrique sans résistance lorsque leur température est inférieure à une certaine valeur appelée température critique ou Tc.
Ce phénomène se caractérise non seulement par l'absence de résistance électrique mais aussi par l'annulation du champ magnétique à l'intérieur du matériau ou "effet Meissner"
(du nom de Walther Meissner qui l’a découvert en 1933 avec Robert Ochsenfeld).
La "supraconductivité conventionnelle", qui fut découverte historiquement en premier, se manifeste à des températures très basses, proches du zéro absolu (-273.15°C).
Théorie de la supraconductivité conventionnelle
L'explication de la supraconductivité dite "conventionnelle" est intimement liée aux caractéristiques quantiques de la matière.
Ce phénomène s’explique par des interactions complexes entre les atomes et les électrons libres qui conduisent à l'apparition de paires liées d'électrons, appelées paires de Cooper. Ces paires d'électrons sont "condensées" dans un seul état quantique sous la forme d’une condensation de Bose-Einstein.
Lorsqu’un matériau supraconducteur est refroidi en dessous de sa température critique Tc, il laisse passer le courant électrique sans résistance et il compense tout champ magnétique extérieur. Ce phénomène, souvent appelé diamagnétisme parfait ou effet Meissner-Ochsenfeld, est notamment utilisé pour réaliser la lévitation magnétique (voir photo ci-dessus).
Histoire des découvertes successives
La supraconductivité a été découverte en 1911 par le physicien néerlandais Kamerlingh Onnes et son étudiant Gilles Holst alors qu'ils étaient en train de mener une expérience sur les propriétés du mercure à très basse température.
Ils ont découvert que la résistance électrique du mercure devient non mesurable en dessous d’une certaine température appelée "température critique". Cela signifie que la résistance électrique du mercure chute de façon brutale au-dessous de Tc, de telle sorte qu’il n’est plus possible de la définir de façon conventionnelle.
Cette découverte a valu à Kamerlingh Onnes le Prix Nobel de physique en 1913.
Il fallut néanmoins attendre 1957 pour qu’une théorie complète donne une explication de ce phénomène.
Cette théorie, connue sous le nom de théorie BCS (d’après les initiales des chercheurs Bardeen, Cooper et Schrieffer), explique la supraconductivité par la formation de paires d'électrons appelées "paires de Cooper".
Les auteurs de cette théorie ont reçu le prix Nobel de physique en 1972.
L’année 1986 a marqué un tournant majeur dans la recherche sur les supraconducteurs.
Bednorz et Müller ont découvert un oxyde à base de Baryum, de Lanthane, de Cuivre et d'Oxygène (BaLaCuO) supraconducteur à une température de 34 K, c’est-à-dire une température critique beaucoup plus élevée que la Tc des supraconducteurs conventionnels.
Cette découverte leur a valu le Prix Nobel de physique en 1987.
Caractéristiques des supraconducteurs
La supraconductivité est une propriété que peuvent posséder différents matériaux : historiquement, les premiers supraconducteurs furent des métaux simples (mercure, plomb, aluminium) mais les recherches ultérieures ont montré que des métaux complexes, des matériaux organiques ou non-organiques, des Céramiques et des oxydes possèdent également cette propriété.
On distingue deux principaux types de supraconducteurs :
- les supraconducteurs conventionnels dont les propriétés sont expliquées par la théorie BCS
- les supraconducteurs non conventionnels dont les propriétés ne peuvent pas être expliquées par la théorie conventionnelle.
Cette deuxième catégorie comprend notamment les supraconducteurs à haute température critique découverts en 1986 par Bednorz et Müller.
A ce jour, aucune théorie satisfaisante ne permet de décrire le phénomène de la supraconductivité à haute température critique.
Applications
La supraconductivité a des applications industrielles dans plusieurs domaines, tels que le domaine médical, la recherche, la fusion nucléaire, le stockage d'énergie électrique ou les transports (trains à lévitation magnétique).
Les électro-aimants supraconducteurs servent pour l’imagerie médicale, notamment les IRM (imagerie par résonance magnétique), mais aussi pour construire des accélérateurs de particules.
La lévitation magnétique permet quant à elle de construire des trains à sustentation électromagnétique qui avancent sans contact avec des rails.
Vous trouverez sur le site ci-dessous plusieurs vidéos présentant les propriétés étonnantes des supraconducteurs.
Plus d'information :
Visitez le site : http://www.lps.u-psud.fr/Collectif/gr_04/vulgaFilms.html
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