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FROID, physique

Deux états paradoxaux : supraconductivité et superfluidité

L'état supraconducteur fut découvert en 1911 par Kamerlingh Onnes au cours d'une expérience où il étudiait l'effet des très basses températures, que venait de lui rendre accessible la liquéfaction de l'hélium, sur la conductivité électrique des métaux. À 4,19 K, la résistance au courant électrique du mercure devient nulle, c'est-à-dire indécelable à quelque précision que ce soit. Cet effet spectaculaire et totalement inattendu est en fait assez répandu, et de nombreux métaux le manifestent à très basse température. Outre cette perte totale de résistivité, l'état supraconducteur présente un comportement magnétique spécifique : aucun champ magnétique ne peut pénétrer dans un supraconducteur tant que le champ magnétique appliqué n'atteint pas une valeur critique au-delà de laquelle l'état supraconducteur cesse. Chaque supraconducteur est ainsi caractérisé par une température critique d'apparition de la supraconductivité et par un champ magnétique critique de disparition de celle-ci.

Il a fallu près de cinquante ans pour qu'une explication satisfaisante du phénomène soit proposée, par John Bardeen, Leon Cooper et John Schrieffer (1957) : leur théorie, dite B.C.S., repose sur l'idée que les électrons qui assurent normalement la conduction électrique s'associent deux à deux, de vitesse et de moment magnétique opposés ; la paire ainsi formée a une vitesse et un moment magnétique globalement nuls, constituant ainsi un état fortement ordonné. Celui-ci ne peut pas être perturbé par les défauts qui, normalement, dévient les électrons et sont responsables de la résistivité électrique, d'où l'état de conducteur parfait.

La liste des corps susceptibles de devenir supraconducteurs a, depuis lors, considérablement augmenté. Des alliages, des oxydes, présentant des températures et des champs critiques de plus en plus élevés, permettent aujourd'hui d'envisager des applications allant des puissants aimants supraconducteurs utilisés en imagerie médicale aux trains à lévitation magnétique.

La superfluidité de l'hélium apparaît lorsqu'on refroidit de l'hélium liquide, par exemple en diminuant la pression, ce qui produit l'évaporation du liquide et donc son refroidissement ; à 2,2 K, le liquide change brutalement de propriétés physiques, sa viscosité devient totalement nulle. Le liquide peut s'écouler dans un tube capillaire sans qu'il soit nécessaire d'exercer la moindre pression, ou remonter les parois d'un récipient. Il se produit à cette température une transition de phase au cours de laquelle une partie des atomes d'hélium entre dans un état ordonné de nature quantique. Cette superfluidité est une propriété spécifique de l'isotope 4 de l'hélium. L'isotope 3 présente lui aussi une superfluidité, mais de nature différente et apparaissant à une température beaucoup plus basse.

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Écrit par

  • : professeur de physique émérite à l'université de Paris-VII-Denis-Diderot
  • : directeur de recherche au C.N.R.S.

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Pour citer cet article

Jean MATRICON et Georges WAYSAND. FROID, physique [en ligne]. In Encyclopædia Universalis. Disponible sur : (consulté le )

Médias

Le Frigorifique - crédits : AFF/ D.R.

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Méthanier - crédits : Keystone/ Getty Images

Méthanier

Keystone/ Getty Images

Autres références

  • CORNELL ERIC A. (1961- )

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 408 mots

    Physicien américain, co-lauréat avec Carl Wieman et Wolfgang Ketterle du prix Nobel de physique 2001 pour la découverte du premier condensat de Bose-Einstein. Né le 19 décembre 1961 à Palo Alto (Californie), Eric A. Cornell est le fils d'un professeur de génie civil au Massachusetts Institute of...

  • DALIBARD JEAN (1958- )

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 1 023 mots
    • 1 média

    Jean Dalibard est un physicien expert des interactions entre la matière et le rayonnement électromagnétique intense généré par des lasers. Ses recherches se situent à l’interface de la physique atomique et de l'optique quantique. En 2021, il reçoit la médaille d’or du CNRS, qui couronne...

  • GIAUQUE WILLIAM FRANCIS (1895-1982)

    • Écrit par Georges BRAM
    • 357 mots

    Physico-chimiste américain né à Niagara Falls (Canada), mort à Berkeley (Californie). William Francis Giauque soutient en 1922 sa thèse de doctorat à l'université de Berkeley, où il effectuera toute sa carrière scientifique : il y est nommé assistant en 1922, professeur la même année, et y prend...

  • KAMERLINGH ONNES HEIKE (1853-1926)

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 373 mots

    Né le 21 septembre 1853 à Groningue (Pays-Bas), Heike Kamerlingh Onnes était issu d'une famille de riches marchands et industriels. Après des études à l'université de Groningue, interrompues par un séjour de trois semestres à Heidelberg où il côtoya Robert Bunsen et Gustav Kirchhoff...

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