SUPRACONDUCTIVITÉ CONVENTIONNELLE

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Les matériaux supraconducteurs sont très divers, et leur état supraconducteur est toujours difficile à atteindre. La température critique (Tc) en dessous de laquelle ils n’opposent aucune résistance au passage d’un courant électrique est en général extrêmement basse, de l’ordre de quelques kelvins (4 K pour le mercure, 7 K pour le plomb). La découverte en 1986 (par Johannes Bednorz et Karl Müller) de céramiques supraconductrices à plus haute température critique (35 K) a révolutionné ce domaine de recherche ; ces dernières années, l’élaboration de céramiques à base de cuprates ou de pnictures de fer a permis d’établir une suite de records de température critique : 92 K pour YBa2Cu3O7, 125 K pour TlBaCaCuO, 133 K pour HgBa2Ca2Cu3O8 et même 164 K à haute pression… sans pour autant qu’une théorie de ce type de supraconductivité ne soit encore solidement établie. Ces grands progrès ont occupé le devant de la scène ces trente dernières années et ont un peu occulté les travaux menés dans le domaine plus traditionnel des métaux, des alliages et composés intermétalliques et des matériaux semi-conducteurs.

La supraconductivité conventionnelle, observée dans de nombreux éléments, est bien expliquée par la théorie B.C.S., développée en 1957 par John Bardeen, Leon Cooper et John Schrieffer. Selon cette théorie, le comportement particulier des électrons susceptibles de faire circuler un courant électrique dans ces solides est dû à leur appariement, les paires d’électrons interagissant comme des particules élémentaires avec des phonons, ces quasi-particules qui décrivent les modes quantiques de vibration du cristal. Selon cette théorie toujours, les éléments de masse faible devraient atteindre l’état supraconducteur à des températures critiques plus élevées que les éléments lourds, car ils oscillent avec des fréquences plus élevées dans les réseaux cristallins. Des théoriciens ont donc prédit qu’un solide riche en hydrogène, le plus léger des éléments, deviendrait supraconducteur à une température relativement élevée.

Inspirés par ces prédictions théoriques, des chercheurs de l’institut Max-Planck de chimie de Mayence (Allemagne) sont parvenus à solidifier un échantillon de sulfure d’hydrogène – le gaz H2S, responsable de la puanteur des œufs pourris – en le soumettant à une pression de 1,5 million de bars (soit 150 gigapascals), qui correspond à la moitié de la pression au centre de la Terre, et à démontrer qu’il devient supraconducteur à 203 K (soit – 70 0C). Mikhail Eremets et ses collaborateurs ont construit pour cela une chambre d’un centimètre cube environ munie de deux diamants jouant le rôle d’enclumes entre lesquelles l’échantillon liquide se solidifie lorsqu’il est soumis à une pression croissante. Un montage simple permet de mesurer la résistance électrique du solide ; un autre vérifie ses propriétés magnétiques qui sont aussi une caractéristique de l’état supraconducteur. Il n’est pas évident que le composé H2S soit à la base du solide supraconducteur, car de nombreuses réactions de dissociation ou de transformation moléculaire ont lieu à haute pression. L’équipe de Mayence pense que la présence du composé H3S pourrait être responsable de la haute valeur de Tc, car les fortes liaisons interatomiques qui le caractérisent favorisent la persistance de la supraconductivité à haute température.

Cellule à enclumes de diamant 

Photographie : Cellule à enclumes de diamant 

Pour atteindre la pression de 1,5 million de bars nécessaire à l’apparition de l’état supraconducteur, une cellule cryogénique comprime l’échantillon de sulfure d’hydrogène entre deux « enclumes » de diamant (seul matériau capable de résister à ce niveau) à une température... 

Crédits : Thomas Hartmann

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À très haute pression (plusieurs millions de bars), un solide formé d’hydrogène pur pourrait être supraconducteur à température normale. La haute pression, qui est d’abord un moyen de transformer un matériau isolant en un métal, est cependant un obstacle à l’utilisation de tels matériaux hors des laboratoires. Pour s’approcher de conditions plus communes, il faudrait fabriquer des métaux riches en hydrogène sans avoir recours à une trop haute pression ; certains polymères pourraient jouer ce rôle.

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Écrit par :

  • : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau

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Bernard PIRE, « SUPRACONDUCTIVITÉ CONVENTIONNELLE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 25 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/supraconductivite-conventionnelle/