La matière dans tous ses états

Lorsqu'un courant traverse un conducteur électrique, les électrons "se cognent" contre son réseau d'atomes, ils sont ralentis, ils perdent de l'énergie, la tension diminue, c'est l'effet Joule.

Il est facile de mesurer une résistance électrique : on injecte un courant connu, et on mesure la tension aux bornes de la résistance. Il faut quand même faire attention à utiliser un voltmètre présentant une résistance interne bien plus élevée que la résistance à mesurer.

Un supraconducteur est un diamagnétique parfait : il expulse intégralement le champ magnétique.

Cet effet permet de faire de la lévitation

On a constaté l'existence de deux types de supraconducteurs, le type I et le type II.

Les supraconducteurs de type I expulsent complètement le champ magnétique jusqu'à une valeur critique, puis au-delà, plus de supraconductivité.

Ceux du type II ont un comportement relativement similaire, mais plus progressif car au-delà de la valeur critique, ils laissent entrer le champ via des tubes de flux magnétiques appelés vortex. Chaque vortex porte un quantum de flux magnétique h/2e (constante de Planck/charge élémentaire), et plus le champ magnétique augmente, plus le réseau de vortex est serré, jusqu'à un certain point au-delà duquel les vortex fusionnent et la supraconductivité disparait.

Il existe toute une dynamique relative à ces vortex, leur comportement sous l'effet d'un courant et du champ magnétique, leur piégeage par des défauts cristallins... On parle même de "thermodynamique des vortex dans des supraconducteurs désordonnés" relisez doucement c'est dire.

Diverses techniques pour visualiser les vortex ont été développées :

C'est un domaine complexe, si jamais vous voulez creuser, préparez votre aspirine, voici un exemple "pour débuter" :

• Cours de supraconductivité / Thierry Klein.

Et ce ne sont que les bases... vous êtes prévenus.

Pendant 50 ans, le phénomène de supraconductivité n'a pas vraiment été expliqué. Il a fallu attendre 1957 pour que Bardeen, Cooper et Schrieffer développent la théorie qui porte leurs noms, la théorie BCS et les non-moins fameuses paires de Cooper.

Et encore, elle ne s'applique que dans un cas particulier, celui des métaux ou matériaux assez homogènes, mais pas au cas des supraconducteurs dits haute température.

Du coup on a régulièrement des propositions pour expliquer la supraconductivité, mais force est de constater que ça ne marche pas vraiment, sinon on saurait comment faire des supraconducteurs à température ambiante... ou au pire expliquer pourquoi ça ne marcherait pas.

Lorsqu’un matériau supraconducteur est refroidi sous sa température dite critique, les électrons se "condensent" en paires de Cooper par une interaction avec les phonons (vibrations) du cristal.

Lorsqu’un électron négatif se propage dans un cristal, les ions positifs (les noyaux atomiques) sont attirés par cet électron et il s’ensuit une déformation de la maille cristalline et une zone légèrement plus positive que le reste. Un autre électron est donc attiré par cette zone positive et il en résulte une force d’attraction entre les deux électrons.

La paire formée est alors une combinaison de deux électrons de momentum et spin opposés. Du coup, ce ne sont plus des fermions de spin ½, mais des bosons de spin entier, qui ne suivent plus la même mécanique, les électrons appariés ont un comportement collectif dans leur ensemble. On verra dans une autre page le coup du condensat de Bose-Einstein, un comportement du même tonneau.

Le résultat de cette action collective est une réduction dans l’énergie du système par rapport à l’état normal, ce qui maintient l’état supraconducteur peu importe sa taille. L’état supraconducteur classique est atteint lorsque l’énergie de liaison médiée par les phonons virtuels est plus importante que la répulsion coulombienne entre les électrons.

Sauf qu'on est le bec dans l'eau avec les cuprates et leur structure bizarre, les plus hauts supraconducteurs connus sans une pression démentielle requise...

Avec la théorie BCS, c'était mal barré pour observer des températures critiques même un poil plus élevées que le zéro absolu. On sentait que ce phénomène allait rester au niveau de la curiosité de laboratoire.

Mais en 1986, on a découvert les cuprates, et leur température critique de 35 K, un véritable bond (on se trainait à 20 K). Une véritable révolution, car cela ouvrait la porte à de l'espoir d'aller plus loin, en particulier dépasser la température de l'azote liquide à 77 K ce qui fut fait par l'YBa₂Cu₃O₇.

Le record actuel pour un cuprate est 135 K.

Ceci dit, jusqu'à aujourd'hui, aucune théorie n'explique le mystère des cuprates. Alors difficile de construire d'autres matériaux montrant une température critique plus élevée, les essais se font surtout par analogie, et par hasard...

Il faut reconnaitre que les cuprates sont bizarres.

Non seulement à la base ce sont des isolants, et que pour les rendre conducteurs il faut les doper = judicieusement ajouter des atomes particuliers, mais pas trop. Ensuite, en réduisant la température, il devient supraconducteur. La conduction dans un cuprate est plutôt désordonnée, ce qui n'aide pas à comprendre comment ça marche.

Et pour ne pas arranger les choses, quand il est isolant, le cuprate est magnétique...

En 2008, ce sont les pnictures, des composés à base de fer, dont la température de transition vers la phase supraconductrice est de 55 K. L'intérêt principal est qu'ils n'ont rien à voir avec les cuprates, et donc qu'ils vont peut-être aider à comprendre.

En 2015 ce sont les hydrures : le sulfure d'hydrogène est superconducteur à 70 K 😲! Mais avec une petite condition un peu spéciale : 2 millions de bars. Soit 2 millions de fois notre atmosphère...

En 2018, ce sont les nickelates, à base d’oxyde de nickel et une température critique de 15 K. Une autre manière de superconduire.

Les recherches continuent bon train, avec son lot d'annonces de découvertes sensationnelles puis rétractation, faute d'une théorie qui permettrait de prédire correctement le comportement des matériaux.

• Liste de supraconducteurs (wikipedia)

Ne pas perdre d'énergie lorsqu'un courant traverse un conducteur électrique permet ou permettrait de réaliser des économies dans pas mal d'applications. En voici un florilège.

Un courant apparait entre deux supraconducteurs séparés par un mince isolant (qu'on appelle aussi jonction Josephson), courant dont l’intensité dépend fortement du champ magnétique, ce qui permet de réaliser un magnétomètre très précis. C'est un SQUID, Superconducting QUantum Interference Device.

Je vous ai déjà enquiquiné avec ça à propos des qubits utilisés pour les ordinateurs quantiques, ces fameuses jonctions Josephson où le champ magnétique sert à la programmation. Et le froid requis à cause des phénomènes de décohérence, ça tombe bien.

Comme aucune perte d'énergie n'est observée, il est tentant de faire tourner le courant en rond dans un circuit fermé supraconducteur, pour stocker l'énergie (G2Elab grenoble projet MADEA).

Les SMES (« Superconducting Magnetic Energy Storage ») présentent toutefois un inconvénient de taille. Si, pour une raison quelconque, la supraconductivité est perdue, alors l'énergie est transformée directement en chaleur par effet Joule, et le machin explosera... Il n'y a pas intérêt à ce que la centrale de réfrigération tombe en rade.

Une variante consiste à faire léviter, grâce à une bobine supraconductrice, un poids en rotation pour conserver l'énergie cinétique.

L'effet Joule n'est qu'une perte pour le transport de l'énergie électrique. La résistance électrique de la ligne chauffe pour rien l'environnement.

On se fait suer actuellement à augmenter autant que possible la tension pour diminuer les pertes par effet Joule, d'où nos magnifiques poteaux THT très haute tension pour transporter le courant depuis nos centrales électriques nucléaires.

Sauf qu'actuellement, nos supraconducteurs doivent être refroidis pour fonctionner, et ce n'est pas rentable. Et dangereux, car si la supraconductivité tombe, on provoque aussitôt l'apparition d'une tension et un effet Joule qui peut être critique pour les installations (incendie). Mais bon, des petits bouts de ligne supraconductrice (quelques centaines de mètres) sont déjà en exploitation.

Le défaut de la perte de supraconductivité quand le champ magnétique devient important, ce qui arrive quand le courant augmente, peut servir de limiteur de courant. Si le courant est trop important, le matériau redevient résistant ce qui limite le courant. Et ça se réarme tout seul quand le courant diminue.

Le champ magnétique généré par un électroaimant dépend directement de l'intensité du courant qui parcoure son bobinage. Mais l'effet Joule provoque une perte importante d'énergie, et entraine un échauffement qui limitera le courant maximum admissible, et ainsi l'intensité du champ magnétique.

Un bobinage sans résistance pourra générer un champ magnétique particulièrement intense, et sans perte ! Ceci dit, il faudra rester en-dessous de la valeur critique de champ.

La supraconductivité a permis la réalisation de certaines applications où il est admissible d'ajouter un système de réfrigération conséquent, en attendant le supraconducteur à température ambiante.

Un champ magnétique intense permet de faire léviter un train, et ainsi faire disparaitre l'énergie perdue par les frottements dus aux roulements des roues sur les rails.

L'imagerie par résonance magnétique IRM est largement utilisée en médecine. Le besoin d'un champ magnétique intense justifie l'usage de supraconducteur.

Les accélérateurs de particules requièrent des champs magnétiques intenses pour canaliser le faisceau. Si le LHC (Large Hadron Collider) du Cern à Genève utilisait des aimants conventionnels en cuivre, il ne mesurerait pas 27 kilomètres de circonférence mais 100, et consommerait près de 25 fois plus d’énergie !

Un tokamak va confiner les particules destinées à fusionner dans un champ magnétique intense, car aucun matériau ne pourrait résister aux températures requises.

Un (gros) moteur à supraconducteur est plus compact et plus léger, propose un fort couple et une faible vitesse (120 tours/minute), pratique pour les utilisations embarquées.

En 2009, AMSC a livré un moteur de 36 MW à la Navy. Trois fois plus léger et 2,5 fois plus petit.

Un électroaimant à supraconducteur est plus puissant qu'un aimant permanent, et n'utilise pas de terres rares, ce qui est avantageux pour les générateurs, en particulier pour les éoliennes.