XII. La supraconductivité
La supraconductivité a été découverte en 1911 par Kammerling Onnes.
Une histoire de métaux
La résistance d’un métal mesure les chocs que subissent les électrons circulant du fait d’un courant électrique. Si on plonge un anneau de cuivre dans un bain d’hélium liquide à —239°C, sa résistance baisse : les électrons circulent mieux mais ils sont encore ralentis par des collisions. Si on fait la même chose avec un anneau de plomb, les électrons ne semblent plus ralentis. La résistance devient nulle. Le plomb est devenu supraconducteur. On sait que la résistance est devenue nulle car si on débranche la pile alimentant les anneaux, le courant s’arrête dans le cuivre alors qu’il a perduré dans le plomb pendant 25 ans, à quelques millionièmes près, sans être alimenté à nouveau, dans une grosse bobine de fil supraconducteur utilisé pour produire des champs magnétiques. On parle de conduction parfaite et de courant éternel, mais pour autant, cela ne constitue pas une source d’énergie infinie et sans coût. Le principe de conservation est respecté : le courant est maintenu mais ne produit aucune énergie. Cependant l’engin conserve l’énergie un temps infini si on le maintient dans l’hélium liquide.
À vous la lévitation quantique
Les supraconducteurs possèdent une autre propriété spectaculaire ( mesurée en 1933 ) : le diamagnétisme parfait. La plupart des matériaux isolants ( plastiques, végétaux, le corps humain ) sont diamagnétiques i.e. ils s’opposent aux champs magnétiques, avec un effet à peine mesurable. Par exemple, notre corps s’oppose au champ magnétique terrestre, le réduisant seulement d’un cent millième de sa valeur. Dans un supraconducteur, le diamagnétisme est parfait c’est à dire que, quand il est placé dans un champ magnétique, il s’y oppose complètement : il ne reste rien de magnétique. Le supraconducteur est une sorte de cage de Faraday pour le magnétisme. En approchant un aimant d’un supraconducteur, on provoque des forces magnétiques considérables qui peuvent faire léviter l’aimant. Cette lévitation est stable contrairement à celle qu’on crée en opposant les pôles identiques de deux aimants qui ne dure qu’un court instant avant qu’un des aimants ne se retourne. De nombreus exemples concrets ont été développés à fin de vulgarisation ( petits trains, hula hoops, tour Eiffel, surf permettant de parcourir une dizaine de mètres. ) Un grand nombre de matériaux sont supraconducteurs : plus de la moitié des éléments du tableau périodique et de nombreux alliage métalliques.
L’explication était presque évidente
Dans les années 1940, l’allemand Fritz London voit dans les transitions quantiques à basse température (condensat de Bose-Einstein des gaz de bosons, superfluidité et supraconductivité) la même apparition d’une fonction d’onde géante. Le liquide superfluide d’hélium aussi constitué de bosons peut se comporter comme les gaz de bosons. Les électrons libres du solide supraconducteur formeraient la fonction d’onde géante. Cette hypothèse permet des prévisions qui sont confirmées par les expériences. La transition supra franchie, la fonction d’onde géante avance en bloc, sans être sensible aux collisions, ce qui explique la résistance nulle. Par ailleurs, si on approche un aimant, l’onde se met à tourner sur elle-même et ce tournoiement engendre un champ magnétique qui s’oppose à l’aimant et provoque la lévitation ( diamagnétisme parfait ). En revanche, les électrons sont des fermions et, du fait du principe d’exclusion, ne devraient pas pouvoir coexister dans une même fonction d’onde.
L’âge d’or des métaux supraconducteurs
Léon Cooper, américain postdoctorant dans l’Illinois, trouve la solution en 1956. Un électron est un fermion car son spin est ½. Si deux électrons parvennaient à s’associer, la paire aurait un spin entier et se comporterait comme un boson. En 1957, avec les américains Bardeen et Scrieffer, Cooper parvient à calculer la fonction d’onde géante et énoncent des prédictions qui ont été vérifiées en laboratoire. Ils ont créé la théorie « BCS », nommée d’après leurs initiales. Les atomes de mercure, d’aluminium et d’étain sont très différents en masse, nombre d’électrons, densité et couleur. Pourtant leur supraconductivité se ressemble en tout point. La théorie BCS prévoit la limite de la supraconductivité. Pour que les électrons puissent s’attirer, il faut que les atomes qui les entourent ne soient pas trop chauds et ne vibrent pas trop : les supraconducteurs les plus chauds obtenus en laboratoire frôlent les —250°C dans des composés à base de niobium.
La folie des nouveaux supraconducteurs
En 1986, Alex Müller et Georg Bednorz conçoivent des céramiques qui supraconduisent jusqu’à —120°C pour les meilleures. Trente ans après, l’origine de cette supraconductivité est toujours inexpliquée. Ces céramiques produisent une fonction d’onde géante dont les électrons conduisent parfaitement mais à des températures 10 fois supérieures à celles des supraconducteurs anciens. La fonction d’onde supporte des champs magnétiques 10 à 100 fois supérieurs. Mais quand elle ne sont pas supraconductrices, ces céramiques, à des températures plus hautes, sont parmi les plus mauvais métaux, avec une conductivité 1000 fois plus faible qu’un fil de cuivre. Les atomes de la céramiques forme un mille-feuille parfait de couches d’atomes se répétant. La supraconductivité se produit dans les couches contenant des atomes de cuivre et d’oxygène organisés en quadrillage carré. Les électrons ne peuvent s’y déplacer qu’en deux dimensions, en suivant les arêtes des carrés et en s’évitant les uns les autres. C’est tellement difficile qu’ils sont presque paralysés et, cependant, ce sont eux qui produisent la meilleure supraconductivité. D’autre familles de supraconducteurs ont été découvertes ( fermions lourds, supraconducteurs organiques, cobaltates, pnictures…), présentant d’étonnantes similitudes avec les céramiques de Bednorz et Müller appelées cuprates. Dès qu’on change le nombre d’électrons d’un de ces matériaux, il devient isolant. Ces similarités signifient-elle qu’un modèle unique pourrait les décrire ? La question est ouverte.
La supraconductivité à température ambiante
Le modèle BSC prévoit que plus les vibrations des atomes sont rapides, plus les électrons sont susceptibles de former des paires de Cooper et meilleure est la supraconductivité. Cela amène Neil Ashcroft à se demander, à la fin des années 1960, si le meilleur supraconducteurs ne serait pas l’hydrogène solide dont les atomes seraient si légers qu’ils devaient présenter les vibrations les plus rapides. En 2017, l’équipe allemande de Mikhail Eremets solidifie du sulfure d’hydrogène ( gaz H2S ) prisonnier entre deux diamants grâce à une pression de 1,4 millions de bars. À cette pression et vers —70°C, les hydrogènes du solide ne sont plus liés par deux et relâchent leurs électrons qui forment des paires supraconductrices. En 2018 à Washington, l’équipe de Russel Hemley remplace leurs souffre par du lanthane. La pression obtenue approche 2 millions de bar et la supraconductivité apparaît à –10°C. Les applications sont inenvisageables du fait des pressions considérées. On cherche désormais à stabiliser ces solides hydrogénés à des pressions moindres. Une équipe française du CEA, du CNRS et du synchrotron SOLEIL est parvenue à stabiliser de l’hydrogène métallique. Reste à savoir si ce matériau sera supraconducteur à haute température.