Qu'est-ce que le phénomène de supraconductivité ? La supraconductivité est un phénomène avec une résistance électrique nulle et la libération de champs de flux magnétiques qui se produisent dans certains matériaux, appelés supraconducteurs, lorsqu'ils sont refroidis en dessous d'une température critique caractéristique.
Le phénomène a été découvert par le physicien néerlandais Heike Kamerling-Onnes le 8 avril 1911 à Leiden. Comme le ferromagnétisme et les raies spectrales atomiques, la supraconductivité est un phénomène de mécanique quantique. Il se caractérise par l'effet Meissner - une éjection complète des lignes de champ magnétique de l'intérieur du supraconducteur lors de sa transition vers l'état supraconducteur.
C'est l'essence même du phénomène de supraconductivité. L'émergence de l'effet Meissner indique que la supraconductivité ne peut pas être comprise simplement comme une idéalisation de la conductivité idéale en physique classique.
Qu'est-ce que le phénomène de supraconductivité
La résistance électrique d'un conducteur métallique diminue au fur et à mesure quebaisser la température. Dans les conducteurs courants tels que le cuivre ou l'argent, cette réduction est limitée par les impuretés et autres défauts. Même près du zéro absolu, un échantillon réel d'un conducteur normal montre une certaine résistance. Dans un supraconducteur, la résistance tombe brusquement à zéro lorsque le matériau est refroidi en dessous de sa température critique. Le courant électrique à travers une boucle de fil supraconducteur peut être maintenu indéfiniment sans source d'alimentation. C'est la réponse à la question, qu'est-ce que le phénomène de supraconductivité.
Histoire
En 1911, alors qu'ils étudiaient les propriétés de la matière à très basse température, le physicien néerlandais Heike Kamerling Onnes et son équipe ont découvert que la résistance électrique du mercure tombait à zéro en dessous de 4,2 K (-269 °C). Ce fut la toute première observation du phénomène de supraconductivité. La plupart des éléments chimiques deviennent supraconducteurs à des températures suffisamment basses.
En dessous d'une certaine température critique, les matériaux passent dans un état supraconducteur, caractérisé par deux propriétés principales: premièrement, ils ne résistent pas au passage du courant électrique. Lorsque la résistance tombe à zéro, le courant peut circuler dans le matériau sans dissipation d'énergie.
Deuxièmement, à condition qu'ils soient suffisamment faibles, les champs magnétiques externes ne pénètrent pas dans le supraconducteur, mais restent à sa surface. Ce phénomène d'expulsion de champ est devenu connu sous le nom d'effet Meissner après avoir été observé pour la première fois par un physicien en 1933.
Trois noms, trois lettres et une théorie incomplète
La physique ordinaire ne donne pasexplications de l'état supraconducteur, ainsi que la théorie quantique élémentaire de l'état solide, qui considère le comportement des électrons séparément du comportement des ions dans un réseau cristallin.
Ce n'est qu'en 1957 que trois chercheurs américains - John Bardeen, Leon Cooper et John Schrieffer ont créé la théorie microscopique de la supraconductivité. Selon leur théorie BCS, les électrons se regroupent en paires par interaction avec les vibrations du réseau (appelées «phonons»), formant ainsi des paires de Cooper qui se déplacent sans frottement à l'intérieur d'un solide. Un solide peut être considéré comme un réseau d'ions positifs immergés dans un nuage d'électrons. Lorsqu'un électron traverse ce réseau, les ions se déplacent légèrement, attirés par la charge négative de l'électron. Ce mouvement génère une région électriquement positive, qui à son tour attire un autre électron.
L'énergie de l'interaction électronique est assez faible et les vapeurs peuvent être facilement décomposées par l'énergie thermique. La supraconductivité se produit donc généralement à des températures très basses. Cependant, la théorie BCS ne fournit pas d'explication à l'existence de supraconducteurs à haute température à environ 80 K (-193 ° C) et plus, pour lesquels d'autres mécanismes de liaison des électrons doivent être impliqués. L'application du phénomène de supraconductivité est basée sur le processus ci-dessus.
Température
En 1986, certains matériaux céramiques cuprate-perovskite se sont avérés avoir des températures critiques supérieures à 90 K (-183 °C). Cette température de jonction élevée est théoriquementimpossible pour un supraconducteur classique, conduisant à qualifier les matériaux de supraconducteurs à haute température. L'azote liquide de refroidissement disponible bout à 77 K, et donc la supraconductivité à des températures supérieures à celles-ci facilite de nombreuses expériences et applications qui sont moins pratiques à des températures plus basses. C'est la réponse à la question à quelle température le phénomène de supraconductivité se produit.
Classification
Les supraconducteurs peuvent être classés selon plusieurs critères qui dépendent de l'intérêt que l'on porte à leurs propriétés physiques, de la compréhension que l'on en a, du coût de leur refroidissement ou encore du matériau dont ils sont faits.
Par ses propriétés magnétiques
Supraconducteurs de type I: ceux qui n'ont qu'un seul champ critique, Hc, et passent brusquement d'un état à un autre lorsqu'il est atteint.
Supraconducteurs de type II: ayant deux champs critiques, Hc1 et Hc2, étant des supraconducteurs parfaits sous le champ critique inférieur (Hc1) et laissant complètement l'état supraconducteur au-dessus du champ critique supérieur (Hc2), étant dans un état mixte entre les champs critiques.
Comme nous les comprenons à leur sujet
Supraconducteurs ordinaires: ceux qui peuvent être entièrement expliqués par la théorie BCS ou des théories apparentées.
Supraconducteurs non conventionnels: ceux qui ne peuvent pas être expliqués à l'aide de telles théories, par exemple: les fermioniques lourdssupraconducteurs.
Ce critère est important car la théorie BCS explique les propriétés des supraconducteurs conventionnels depuis 1957, mais d'autre part, il n'y a pas eu de théorie satisfaisante pour expliquer les supraconducteurs complètement non conventionnels. Dans la plupart des cas, les supraconducteurs de type I sont courants, mais il existe quelques exceptions, comme le niobium, qui est à la fois courant et de type II.
Par leur température critique
Supraconducteurs basse température, ou LTS: ceux dont la température critique est inférieure à 30 K.
Supraconducteurs à haute température, ou HTS: ceux dont la température critique est supérieure à 30 K. Certains utilisent désormais 77 K comme séparation pour souligner si l'on peut refroidir l'échantillon avec de l'azote liquide (dont le point d'ébullition est de 77 K), ce qui est beaucoup plus faisable que l'hélium liquide (une alternative pour atteindre les températures nécessaires à la production de supraconducteurs à basse température).
Autres détails
Un supraconducteur peut être de type I, ce qui signifie qu'il a un seul champ critique, au-dessus duquel toute supraconductivité est perdue, et en dessous duquel le champ magnétique est complètement éliminé du supraconducteur. Type II, c'est-à-dire qu'il possède deux champs critiques entre lesquels il permet une pénétration partielle du champ magnétique par des points isolés. Ces points sont appelés tourbillons. De plus, dans les supraconducteurs multicomposants, une combinaison de deux comportements est possible. Dans ce cas, le supraconducteur est de type 1, 5.
Propriétés
La plupart des propriétés physiques des supraconducteurs varient d'un matériau à l'autre, telles que la capacité thermique et la température critique, le champ critique et la densité de courant critique à laquelle la supraconductivité s'effondre.
D'autre part, il existe une classe de propriétés indépendantes du matériau de base. Par exemple, tous les supraconducteurs ont une résistivité absolument nulle à de faibles courants appliqués, lorsqu'il n'y a pas de champ magnétique ou lorsque le champ appliqué ne dépasse pas une valeur critique.
La présence de ces propriétés universelles implique que la supraconductivité est une phase thermodynamique et possède donc certaines propriétés distinctives qui sont largement indépendantes des détails microscopiques.
La situation est différente dans le supraconducteur. Dans un supraconducteur conventionnel, le liquide électronique ne peut pas être séparé en électrons individuels. Au lieu de cela, il se compose de paires liées d'électrons appelées paires de Cooper. Cet appariement est provoqué par la force d'attraction entre électrons résultant de l'échange de phonons. En raison de la mécanique quantique, le spectre d'énergie de ce liquide de la paire de Cooper présente un écart d'énergie, c'est-à-dire qu'il existe une quantité minimale d'énergie ΔE qui doit être fournie pour exciter le liquide.
Par conséquent, si ΔE est supérieur à l'énergie thermique du réseau donnée par kT, où k est la constante de Boltzmann et T est la température, le liquide ne sera pas diffusé par le réseau. AlorsAinsi, le liquide vapeur de Cooper est superfluide, ce qui signifie qu'il peut s'écouler sans dissiper d'énergie.
Caractéristiques de supraconductivité
Dans les matériaux supraconducteurs, les caractéristiques de supraconductivité apparaissent lorsque la température T descend en dessous de la température critique Tc. La valeur de cette température critique varie d'un matériau à l'autre. Les supraconducteurs conventionnels ont généralement des températures critiques allant d'environ 20 K à moins de 1 K.
Par exemple, le mercure solide a une température critique de 4,2 K. En 2015, la température critique la plus élevée trouvée pour un supraconducteur conventionnel est de 203 K pour le H2S, bien qu'une haute pression d'environ 90 gigapascals ait été nécessaire. Les supraconducteurs cuprates peuvent avoir des températures critiques beaucoup plus élevées: YBa2Cu3O7, l'un des premiers supraconducteurs cuprates découverts, a une température critique de 92 K, et des cuprates à base de mercure avec des températures critiques supérieures à 130 K ont été trouvés. L'explication de ces températures critiques élevées demeure inconnu.
L'appariement d'électrons dû aux échanges de phonons explique la supraconductivité dans les supraconducteurs conventionnels, mais n'explique pas la supraconductivité dans les supraconducteurs plus récents qui ont une température critique très élevée.
Champs magnétiques
De même, à une température fixe inférieure à la température critique, les matériaux supraconducteurs cessent d'être supraconducteurs lorsqu'un champ magnétique externe supérieur àchamp magnétique critique. En effet, l'énergie libre de Gibbs de la phase supraconductrice augmente de façon quadratique avec le champ magnétique, tandis que l'énergie libre de la phase normale est approximativement indépendante du champ magnétique.
Si le matériau est supraconducteur en l'absence de champ, alors l'énergie libre de la phase supraconductrice est inférieure à celle de la phase normale, et donc, pour une valeur finie du champ magnétique (proportionnelle au carré racine de la différence des énergies libres à zéro), les deux énergies libres seront égales et il y aura une transition de phase vers la phase normale. Plus généralement, une température plus élevée et un champ magnétique plus fort entraînent une plus faible proportion d'électrons supraconducteurs et donc une plus grande profondeur de pénétration dans Londres des champs et courants magnétiques externes. La profondeur de pénétration devient infinie à la transition de phase.
Physique
L'apparition de la supraconductivité s'accompagne de changements brusques dans diverses propriétés physiques, ce qui est la marque d'une transition de phase. Par exemple, la capacité calorifique des électrons est proportionnelle à la température dans le régime normal (non supraconducteur). A la transition supraconductrice, il subit un saut et après cela il cesse d'être linéaire. Aux basses températures, il change au lieu de e−α/T pour un certain α constant. Ce comportement exponentiel est l'une des preuves de l'existence d'un écart énergétique.
Transition de phase
L'explication du phénomène de supraconductivité est assezévidemment. L'ordre de la transition de phase supraconductrice a été discuté pendant longtemps. Les expériences montrent qu'il n'y a pas de transition de second ordre, c'est-à-dire de chaleur latente. Cependant, en présence d'un champ magnétique externe, il y a chaleur latente car la phase supraconductrice a une entropie plus faible, inférieure à la température critique, que la phase normale.
Expérimentalement démontré ce qui suit: lorsque le champ magnétique augmente et dépasse le champ critique, la transition de phase qui en résulte entraîne une diminution de la température du matériau supraconducteur. Le phénomène de supraconductivité a été brièvement décrit ci-dessus, il est maintenant temps de vous dire quelque chose sur les nuances de cet effet important.
Des calculs effectués dans les années 1970 ont montré qu'il pouvait en fait être plus faible que le premier ordre en raison de l'influence des fluctuations à longue portée du champ électromagnétique. Dans les années 1980, il a été théoriquement montré en utilisant la théorie des champs de désordre, dans laquelle les lignes de vortex supraconducteurs jouent un rôle majeur, que la transition est du second ordre dans le mode de type II et du premier ordre (c'est-à-dire la chaleur latente) dans le mode de type I, et que les deux régions sont séparées par un point tricritique.
Les résultats ont été fortement confirmés par des simulations informatiques à Monte Carlo. Cela a joué un rôle important dans l'étude du phénomène de supraconductivité. Les travaux se poursuivent à l'heure actuelle. L'essence du phénomène de supraconductivité n'est pas entièrement comprise et expliquée du point de vue de la science moderne.
