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En 1911, au cours d’une étude sur les propriétés de la matière à très basse température, le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes et son équipe découvrent que la résistance électrique du mercure devient nulle en dessous de 4,2K (-269°C) : le phénomène de supraconductivité est observé pour la première fois. Les observations se multiplieront puisque la majorité des éléments chimiques deviennent supraconducteurs à suffisamment basse température.
Mention très bien malgré un double zéro
En dessous d’une certaine température dite critique, un matériau peut passer à l’état supraconducteur, il se caractérise alors par deux propriétés spécifiques. Premièrement il n’oppose plus aucune résistance au passage d’un courant électrique. Sa résistance tombe à zéro et le courant peut circuler dans le matériau sans dissipation d’énergie. Deuxièmement un champ magnétique extérieur suffisamment faible ne peut pas pénétrer à l’intérieur du supraconducteur, il reste seulement à sa surface. Ce phénomène d’expulsion est nommé effet Meissner, du nom du physicien qui l’observa la première fois en 1933.
Trois noms, trois lettres, une théorie incomplète
L’état supraconducteur de certains matériaux ne peut pas être expliqué par la physique classique. En 1957, trois chercheurs américains - John Bardeen, Leon Cooper et John Schrieffer - établissent une théorie sur les caractéristiques microscopiques de la supraconductivité. D’après cette théorie nommée BCS, les électrons peuvent se regrouper par deux formant une nouvelle entité appelée paire de Cooper. De façon imagée, le matériau s’apparente à un réseau d’ions positifs baigné dans un gaz d’électrons. Au passage d’un électron, les ions se déplacent légèrement attirés par la charge négative de l’électron. Ce déplacement génère une zone électriquement positive qui attire à son tour un autre électron. Les deux électrons forment une paire capable de se déplacer dans la matière sans perdre d’énergie. L’interaction entre les électrons est faible et ne résiste pas à l’agitation thermique, c’est pourquoi de très basses températures sont nécessaires à la supraconductivité. Cependant la théorie BCS reste incomplète et ne permet pas d’expliquer l’existence de supraconducteurs à des températures supérieures à 77K (soit -196°C).
Type I ou II, deux ou trois états
L’état supraconducteur peut être détruit par augmentation de la température et/ou du champ magnétique extérieur qui pénètre dans le matériau en détruisant l’effet Meissner. De ce point de vue, il existe deux types de supraconducteurs. Les matériaux de type I nécessitent de très basses températures pour être à l’état supraconducteur et deumeurrent dans cet état uniquement pour des champs magnétiques extérieurs relativement faibles. Ils connaissent une transition brutale et seulement deux états : un dit normal et un supraconducteur. À l’inverse les supraconducteurs de types II possèdent des températures critiques beaucoup plus élevées (jusqu’à 138K soit -135°C) et conservent un caractère supraconducteur en présence de champs magnétiques intenses. Ce comportement s’explique par l’existence d’un état transitoire dit mixte dans lequel, selon la température et la valeur du champ magnétique appliqué, le matériau peut présenter à la fois des zones supraconductrices et des zones normales. Les supraconducteurs de types II ont permis d’exploiter les qualités de la supraconducitivité à des champs magnétiques élevés, rendant possible, entre autres, la réalisation d’aimants et de cavités accélératrices pour les accélérateurs de particules.