Un peu d’histoire

Une découverte inattendue

Kamerlingh photo
Wikipédia, Kamerlingh Onnes

Ohm, Kelvin, Thompson, Cooper… Tant de grands noms de la physique qui ont participé à la recherche sur la supraconductivité. Découverte il y a aujourd’hui plus de 100 ans par Kamerlingh Onnes, ce phénomène a été révélé à travers des recherches en aveugle.

Cette découverte s’est faite de manière complètement inattendue. En effet, il voulait seulement tester la résistance d’un métal à l’approche du zéro absolu. Les scientifiques avaient remarqué que la résistance diminuait avec la température, mais nul n’avait atteint le zéro absolu (- 273.15 °C, ou 0 Kelvin). Les deux hypothèses les plus fréquentes, à cette époque, pour la conséquence du refroidissement d’un métal au zéro absolu, étaient :

  • Le conducteur a une résistance minimale et donc, à partir d’une certaine température, la résistance ne baisse plus.
  • Passé une certaine température, la résistance du conducteur remontait vers l’infini .

    Les informations à l’époque indiquaient bien que le courant électrique était lié à un déplacement d’électrons. Le zéro absolu étant la température la plus basse, tout devrait se figer, les électrons aussi. Le conducteur deviendrait ainsi un isolant… Mais pendant l’expérience la résistance ne faisait que descendre à l’approche du zéro absolu.

    Pour atteindre une température proche du zéro absolu la liquéfaction d’un gaz était nécessaire. C’est l’hélium qui a été choisi car ce gaz noble, sous pression, se condense et atteint la température de 4,22 kelvins soit -268,93°C. Il passe donc d’une forme solide à une forme liquide. En se servant de cet hélium liquéfié, Onnes essaie de refroidir le mercure… à 4,23 kelvin la résistance du mercure devient nulle : la supraconductivité est découverte.

frise chronoaz
Frise d’Hugo LE COZANNET

 

Une suite de découvertes prometteuses

    En 1933, Meissner et Ochsenfeld découvrent que les supraconducteurs repoussent les champs magnétiques. Ce phénomène sera appelé effet Meissner. En 1935, les frères Fritz et Heinz London expliquent que l’effet Meissner est la conséquence de la création d’un champ magnétique par le supraconducteur. L’idée que ce phénomène relève de la physique quantique émerge dès 1940 grâce à London, Landau et surtout grâce à Einstein. En effet, Einstein prévoyait qu’à une température très proche du zéro absolu, certaines particules s’accordaient toutes à la même énergie et devenaient indiscernables, pour former un objet collectif doté de propriétés nouvelles. Le problème avec ceci est que la règle ne s’appliquait qu’à des entités particulières dont les électrons ne faisaient pas partie. C’est en 1956 que Leon Cooper prouve que les électrons étaient capables de  s’assembler deux à deux dans le métal, formant des « paires de Cooper ».

     En 1957 John Bardeen, Leon Neil Cooper et John Robert Schrieffer arrivent partiellement à expliquer le fonctionnement de la supraconductivité. Ils émettent la théorie « BCS », affirmant que les électrons libres qui s’assemblent en paires de Cooper donnent naissance à une onde quantique. Celle-ci peut  traverser le matériau comme s’il ne possédait pas le moindre atome pour s’opposer à son mouvement. (explications dans l’article : « Les câbles supraconducteurs »).

        En 1962, le premier câble supraconducteur est construit à des fins scientifiques.

     En 1980 aux Etat-Unis la société Fonar a commercialisé le premier IRM. Aujourd’hui tous les pays développés et même de nombreux pays non développés comme ceux du G20 en sont équipés.

    En 1986 survient une avancée majeure dans le domaine de la supraconductivité : la découverte de matériaux supraconducteurs de type nouveau, appelés les « cuprates ». Découverts par Bednorz et Müller, ils provoquent une surprise générale dans le monde scientifique, pour plusieurs raisons. La première étant que les cuprates sont des céramiques, matériau non conducteur à température ambiante. Il semblait donc absurde que ceux-ci soient supraconducteurs ! De plus, ils présentent un avantage majeur : leur température critique (au delà de laquelle ils deviennent supraconducteurs) est très élevé, et montre alors jusqu’à 95 K en, puis 150 K en 1993. Cela leur permet d’être refroidi avec de l’azote liquide, liquide moins coûteux. La course au supraconducteurs à température ambiante reprend après ce bon de plusieurs dizaines de degrés. Ces nouveaux supraconducteurs sont dits de « type 2 ». Leur seul désavantage est que l’on ne sait expliquer leur fonctionnement, la théorie BCS ne s’appliquant qu’aux supraconducteurs de type 1.

    En 2008, le projet LIPA est lancé en collaboration avec l’entreprise française Nexans. C’est le premier projet à grande échelle pour des câbles supraconducteurs. Il s’agit d’une avancée  importante pour le monde de demain, à travers l’installation de câbles supraconducteurs dans un réseau urbain pour la première fois. D’autres projets ont vu le jour depuis.

     En 2013, grâce à un laser à atomes, on a réussi a descendre la température de molécules à quelques nano-kelvins. Une porte s’ouvre donc pour refroidir des supraconducteurs sans avoir à liquéfier de gaz. Plus tard, en 2014, des scientifiques ont découvert un supraconducteur à 190K … de quoi espérer des supraconducteurs à température ambiante car la température critique n’a de cesse d’augmenter avec la recherche.

Publicités

Laisser un commentaire

Entrez vos coordonnées ci-dessous ou cliquez sur une icône pour vous connecter:

Logo WordPress.com

Vous commentez à l'aide de votre compte WordPress.com. Déconnexion / Changer )

Image Twitter

Vous commentez à l'aide de votre compte Twitter. Déconnexion / Changer )

Photo Facebook

Vous commentez à l'aide de votre compte Facebook. Déconnexion / Changer )

Photo Google+

Vous commentez à l'aide de votre compte Google+. Déconnexion / Changer )

Connexion à %s