La supra, c'est quoi?

Ici, vous saurez tout ce qu'il y a à savoir sur ce phénomène fascinant qu'est la supra

quelques explications

Onnes

physique à basse température

de la mesure à la connaissance

La supraconductivité a été découverte en 1911, par un physicien néerlandais, Onnes, soit il y a cents ans.

Physicien qui avait d’ailleurs réussi trois ans auparavant l’exploit d’être le premier à liquéfier de l’hélium (4,2Kelvins).

Plus tard il essayera de répondre au nouveau problème scientifique majeur : “Que devient la résistance d’un métal que l’on refroidit jusqu'au 0 absolu (0 kelvin) ?”

Au XXème siècle, il existait trois théories :

celle de Deward : la résistance irait vers le 0 au fur et à mesure que la température diminue

celle de Kelvin : les électrons eux-même se figeraient, et ne circulerait plus, ainsi la résistance augmenterait à nouveau

celle de Matthiessen : la résistance se stabiliserait à une valeur non-nulle.

Graphique de l’évolution de la résistance de métaux en fonction de la température selon trois théories du XXème siècle

Pour savoir laquelle de ces théories était vraie, ils n’eurent qu’une solution, expérimenter.

Onnes choisit d’étudier le mercure, un métal liquide pouvant être distillé à plusieures reprises pour obtenir un échantillon le plus pur possible et ainsi éviter un maximum d’erreurs de mesure. Et c’est un 1911, qu’il découvrit qu’en le refroidissant à moins de 4,2 K , sa résistance diminuait soudainement. Il venait de découvrir la supraconductivité.

Graphique des résultats de Onnes à propos de la mesure de la résistance du mercure (supraconducteur) et de l’or (pas supraconducteur) en fonction de la température

Il confirma donc à la fois la théories de Dewar pour les matériaux supraconducteurs et celle de Matthiessen pour les matériaux non supraconducteurs. Il faut alors refroidir ces matériaux à une température proche du zéro absolu pour qu'ils deviennent supraconducteurs.

Par la suite, d’autres matériaux supraconducteurs furent découvert : l’étain et le plomb, facilitant ainsi les différentes expériences de la supra.

Un phénomène magnétique

Le terme de champ magnétique désigne une région de l'espace soumise à l'action d'une force provenant d'un aimant.

En effet, un aimant génère autour de lui un champ magnétique qui traverse tout matériau non magnétique. Lorsqu’un matériau devient supraconducteur à basse température, celui ci expulse le champ magnétique. Cela crée alors une force sur l’aimant et le fait léviter : c’est l’effet Meissner.

En 1933, le physicien Walther Meissner (physicien berlinois) constate que les champs magnétiques de faible intensité ne pénètrent pas les supraconducteurs, mais au contraire, qu’ils semblent être expulsés par le supraconducteur. Quand on approche un aimant d’un supraconducteur, l’aimant est repoussé et lévite au-dessus de ce dernier.

Un phénomène électrique

La résistance est l'action de résister. C’est la capacité d’un corps à résister à l’action d’un autre corps ou celle d’une force qui s’oppose à un mouvement.

On parle ici de résistance électrique, qui caractérise plus particulièrement la façon dont un dipôle électrique résiste au passage du courant.

En effet, au sein d’un solide les atomes s'agitent constamment. Et lorsque l’on fait passer un courant électrique dans un solide, des électrons le traversent.

Ces derniers peuvent être déviés par interaction avec les atomes en vibration, on dit alors qu’ils sont “diffractés”. C’est le phénomène de la résistance électrique.

Mais en diminuant la température du solide, les vibrations des atomes diminuent également. Ainsi, la quantité d’électrons diffractés diminue, et la résistance diminue.

C’est pourquoi, plus la température diminue, plus la résistance diminue.

On peut la mesurer à l’aide d’un ohmmètre ou encore la déterminer grâce aux anneaux colorées qu’elle possède avec le code couleur.

Formules

I=U/R R=U/I U=R*I

avec R = résistance en ohm Ω

I = intensité en ampère A

U = tension en volt V

La théorie BCS

une théorie révolutionnaire

Leur théorie repose sur le fait que les électrons ont chacun une trajectoire indépendante, mais dans un supra, il vont former une onde collective que l'on appelle le condensat.

L’idée centrale de la théorie BCS repose sur la nature quantique des électrons.

Dans un métal, les électrons sont des ondes. Chacun de ces électrons est relativement indépendant et suit son propre parcours sans trop se soucier des autres électrons.

Dans un supraconducteur, les électrons vont former des paires pour acquérir une plus grande stabilité. Ces paires sont appelées paires de Cooper. Ils vont alors synchroniser leurs ondes formant une grande onde collective. En quantique, on parlera de fonction d’onde quantique macroscopique, ou encore de condensat. Une fois cette onde collective formée chacun des électrons avancent donc à la même vitesse.

Dans un métal, un électron individuel est facilement dévié par un défaut comme un atome trop gros.

Mais dans le supraconducteur, ce même électron ne pourra être dévié que si, au même moment, tous les autres électrons de l’onde collective sont déviés de la même manière, ce qui demanderait un coût énergétique trop important. Les défauts atomiques qui sont alors bien trop petits par rapport à l’onde, sont incapable de dévier, ou encore freiner l’ensemble de l’onde, la résistance électrique a disparu.

Cependant, lorsque l’on réchauffe le supraconducteur, de plus en plus de paires sont rompues car les électrons n’ont plus d’intérêt à s'apparier. Une fois passé la température critique, la supraconductivité est détruite.

conclusion

Ainsi passée une température dîtes critique, le matériau devient alors supraconducteur et n’est plus soumis à aucune résistance électrique et à une expulsion de champ magnétique.

Pour diminuer la température des supraconducteurs, on peut utiliser des gazs liquides à très basse température comme l’azote liquide.

Cependant, pour qu’un matériel reste supraconducteur sur une longue période (ex : voyage en train) il est nécessaire de diminuer continuellement sa température pour qu’elle reste dans sa zone “critique”. En effet, la supraconductivité disparaît si la température dépasse une certaine valeur (cette valeur, dépend du supraconducteur). Un champ magnétique trop intense, supérieur à une valeur critique, détruit également l’état supraconducteur.

Aujourd’hui, nous découvrons de plus en plus de supraconducteurs à des températures toujours plus élevées.

Tout l’enjeu serait alors de trouver un matériau supraconducteur qui atteindrait sa température critique à “haute température” (= -20/ -10°C) voir à température ambiante, car cela permettrait d’utiliser la supraconductivité : plus simplement, à plus grande échelle et avec un moindre coup; ce qui permettrait le développement de cette dernière à l’échelle mondiale et donc l’augmentation de son utilisation au quotidien.