Lorsqu'un courant traverse un fil de cuivre, le fil s'échauffe légèrement ; cette chaleur résulte de la perte d'énergie des électrons qui se déplacent dans le matériau, ce que l'on appelle la résistance électrique. Pourtant, certains matériaux, une fois refroidis en dessous d'une certaine température, voient leur résistance descendre sous toute valeur mesurable et, en pratique, tomber exactement à zéro. Cet état porte le nom de supraconductivité, et un courant lancé dans une boucle supraconductrice peut circuler pendant des années sans aucune source d'énergie extérieure. Cet article explique d'où vient ce comportement extraordinaire et pourquoi il n'apparaît qu'à très basse température.
D'où vient la résistance électrique ?
Dans un conducteur ordinaire, les électrons qui transportent le courant se déplacent assez librement dans le réseau cristallin formé par les atomes. Ce mouvement n'est cependant pas parfait : les électrons sont diffusés par les vibrations du réseau (les phonons thermiques), par les atomes étrangers et par les défauts, perdant ainsi leur direction et leur énergie. L'énergie perdue se transforme en chaleur : c'est la résistance. Lorsque la température baisse, les vibrations du réseau diminuent et la résistance de la plupart des métaux diminue avec elles, mais elle n'atteint jamais zéro ; une « résistance résiduelle » due aux défauts subsiste toujours. La supraconductivité, elle, est un événement soudain, totalement différent de ce déclin progressif.
1911 : la résistance du mercure disparaît brutalement
La supraconductivité a été découverte en 1911 par le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes. Onnes fut le premier à liquéfier l'hélium, ce qui lui permit de refroidir des matériaux à des températures très proches du zéro absolu (−273,15 °C). En refroidissant du mercure solide à environ 4,2 kelvins (−269 °C), il constata que sa résistance électrique ne diminuait pas progressivement mais chutait brutalement à une valeur trop petite pour être mesurée dès qu'un seuil était franchi. Onnes reçut le prix Nobel de physique en 1913 pour cette découverte et pour ses travaux en physique des basses températures. Les années suivantes, on découvrit que d'autres métaux comme le plomb, l'étain et le niobium se comportaient de la même façon en dessous de leur propre température critique.
L'effet Meissner : la deuxième signature de la supraconductivité
Pendant longtemps, la supraconductivité fut considérée simplement comme une « résistance nulle ». En 1933, Walther Meissner et Robert Ochsenfeld, en travaillant sur des échantillons d'étain et de plomb, découvrirent une propriété bien plus frappante : lorsqu'un matériau passe à l'état supraconducteur, il expulse le champ magnétique de son intérieur. Dans ce phénomène, appelé effet Meissner, le supraconducteur engendre, grâce à des courants permanents à sa surface, un champ opposé qui annule exactement le champ appliqué ; le matériau se comporte alors comme un « diamagnétique parfait ». C'est le point essentiel qui distingue un supraconducteur d'un simple très bon conducteur : un conducteur parfait piégerait un champ déjà entré, tandis qu'un supraconducteur le repousse activement. Un aimant en lévitation au-dessus d'une plaque supraconductrice est la démonstration la plus connue de cet effet. Le champ n'est pas entièrement ramené à zéro ; il pénètre depuis la surface sur une couche très mince appelée longueur de pénétration de London, où il décroît exponentiellement.
Les paires de Cooper et la théorie BCS
Une explication microscopique de la supraconductivité n'est arrivée qu'en 1957, avec la théorie élaborée par John Bardeen, Leon Cooper et John Robert Schrieffer, connue sous leurs initiales BCS (le trio reçut le prix Nobel de physique en 1972). Au cœur de la théorie se trouve une idée surprenante : deux électrons, qui normalement se repoussent, peuvent s'attirer faiblement à très basse température par l'intermédiaire du réseau cristallin. Lorsque le premier électron se déplace, il attire légèrement vers lui les ions positifs environnants et laisse derrière lui une région brève de densité de charge positive plus élevée ; cette région attire un second électron. La réponse lente des ions (le retard) permet à cette attraction médiée par les phonons de l'emporter sur la répulsion directe entre les électrons. La paire d'électrons faiblement liée ainsi formée s'appelle une paire de Cooper. Comme les paires de Cooper se comportent globalement comme des bosons, elles se condensent toutes dans le même état quantique et forment un unique « superfluide » cohérent. Pour briser cet état commun, il faut franchir un certain seuil d'énergie (le gap) ; à basse température, les vibrations du réseau ne peuvent pas fournir ce seuil, si bien que les paires circulent sans diffusion, c'est-à-dire sans résistance.
Supraconducteurs de type I et de type II
Les supraconducteurs se répartissent en deux groupes selon leur réponse à un champ magnétique. Les supraconducteurs de type I (la plupart des métaux purs) expulsent totalement le champ en dessous d'un certain champ critique et perdent la supraconductivité d'un coup au-dessus. Les supraconducteurs de type II (alliages et composés céramiques) restent dans un « état mixte » entre deux valeurs de champ critique : le champ magnétique pénètre le matériau sous forme de fins filaments de flux (des vortex) tandis que la région environnante reste supraconductrice. Cela permet aux matériaux de type II de résister à des champs magnétiques bien plus élevés, et c'est ce type qui sert à construire des aimants puissants.
Les supraconducteurs à haute température et l'objectif de la température ambiante
Pendant des décennies, tous les supraconducteurs connus ne fonctionnaient qu'en dessous de 23 kelvins, ce qui exigeait de l'hélium liquide coûteux. En 1986, Georg Bednorz et Alex Müller trouvèrent des températures critiques bien plus élevées dans des céramiques à base d'oxyde de cuivre (un prix Nobel l'année suivante). Le composé oxyde d'yttrium-baryum-cuivre (YBCO) découvert peu après devenait supraconducteur à 93 kelvins, ce qui signifiait que l'azote liquide (77 K), bon marché et abondant, pouvait servir de réfrigérant. Savoir si ces supraconducteurs « à haute température » peuvent être entièrement expliqués par le mécanisme BCS reste une question de recherche ouverte. Ces dernières années, on a montré que des composés comme les hydrures de soufre et de lanthane deviennent supraconducteurs près de la température ambiante sous des pressions de millions d'atmosphères ; mais un supraconducteur fonctionnant à température ambiante et à pression normale n'a pas encore été obtenu.
Où la supraconductivité est-elle utilisée ?
La résistance nulle et la capacité à produire des champs magnétiques intenses rendent les supraconducteurs indispensables à certaines technologies. Les appareils d'IRM (imagerie par résonance magnétique) des hôpitaux tirent leurs champs puissants et stables de bobines supraconductrices. Le Grand collisionneur de hadrons du CERN utilise des milliers d'aimants en niobium-titane refroidis à 1,9 kelvin pour guider ses particules. Les trains à sustentation magnétique (maglev) avancent sans toucher le rail grâce à des aimants supraconducteurs. Les câbles électriques sans perte, les capteurs de champ magnétique extrêmement sensibles (SQUID) et les qubits des ordinateurs quantiques fondés sur des jonctions Josephson exploitent eux aussi ce phénomène.