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La supraconductivité
La supraconductivité est l’état de certains matériaux qui, refroidis sous une température critique, conduisent l’électricité sans aucune résistance et expulsent le champ magnétique. Elle est utilisée dans les IRM et les accélérateurs.
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Dans un fil de cuivre, même excellent, le courant perd une partie de son énergie en chaleur. Dans un supraconducteur, il peut circuler pendant des années, sans pile ni générateur, sans perdre la moindre énergie. Découvert par hasard en 1911, ce phénomène reste l’un des plus spectaculaires de la physique quantique à l’échelle macroscopique, et l’un des plus convoités : un supraconducteur à température ambiante bouleverserait le transport de l’électricité.
Une découverte en 1911
Le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes réussit en 1908 à liquéfier l’hélium, à 4,2 K (−269 °C). Il étudie ensuite la résistance des métaux aux très basses températures. En 1911, il observe que la résistance du mercure chute brutalement à zéro vers 4,2 K. Il reçoit le prix Nobel de physique en 1913.
| Date | Étape |
|---|---|
| 1911 | Kamerlingh Onnes découvre la supraconductivité du mercure |
| 1933 | Walther Meissner et Robert Ochsenfeld découvrent l’expulsion du champ magnétique |
| 1957 | John Bardeen, Leon Cooper et John Robert Schrieffer proposent la théorie BCS (Nobel 1972) |
| 1962 | Brian Josephson prédit l’effet tunnel entre supraconducteurs (Nobel 1973) |
| 1986 | Georg Bednorz et Alexander Müller découvrent les cuprates supraconducteurs à haute température (Nobel 1987) |
| 1987 | l’YBaCuO devient supraconducteur à 92 K, au-dessus de la température de l’azote liquide |
| 2001 | découverte de la supraconductivité du diborure de magnésium à 39 K |
| 2008 | découverte des supraconducteurs à base de fer |
Une résistance vraiment nulle
Ce n’est pas une résistance « très faible » : elle est nulle, autant qu’on puisse la mesurer. Dans des boucles supraconductrices, des courants ont circulé plusieurs années sans diminution mesurable. Conséquences :
- aucune perte par effet Joule (voir puissance électrique) ;
- possibilité de faire circuler des courants énormes dans des fils fins, et donc de produire des champs magnétiques très intenses.
L’effet Meissner et la lévitation
Un supraconducteur n’est pas seulement un conducteur parfait : refroidi en présence d’un champ magnétique, il l'expulse de son intérieur. C’est l’effet Meissner, qui fait de la supraconductivité un véritable état de la matière.
Placé au-dessus d’un aimant, un supraconducteur lévite. Avec les supraconducteurs dits de type II, les lignes de champ peuvent s’ancrer en partie dans le matériau, qui reste alors suspendu de manière stable au-dessus ou même en dessous de l’aimant. Cette démonstration, réalisée avec des pastilles de céramique refroidies à l’azote liquide, est un classique des fêtes de la science.
Pourquoi la résistance disparaît-elle ?
La théorie BCS (1957) explique la supraconductivité des métaux classiques. À très basse température, les électrons s’associent en paires de Cooper, grâce à une interaction indirecte via les vibrations du réseau d’atomes : un électron qui passe déforme légèrement le réseau, ce qui attire un second électron. Ces paires se comportent collectivement comme une seule onde quantique cohérente, qui se déplace sans être diffusée par les impuretés ou les vibrations (voir mécanique quantique).
Le mécanisme des supraconducteurs à haute température (cuprates) reste, lui, mal compris : c’est l’une des grandes questions ouvertes de la physique de la matière condensée.
Les températures critiques
| Matériau | Température critique | Refroidissement nécessaire |
|---|---|---|
| Aluminium | 1,2 K | hélium liquide |
| Mercure | 4,2 K | hélium liquide |
| Plomb | 7,2 K | hélium liquide |
| Niobium | 9,3 K | hélium liquide |
| Niobium-titane (NbTi) | environ 10 K | hélium liquide |
| Niobium-étain (Nb₃Sn) | environ 18 K | hélium liquide |
| Diborure de magnésium | 39 K | hélium ou cryogénérateurs |
| YBaCuO (cuprate) | 92 K | azote liquide (77 K) |
| Cuprates au mercure | environ 133 K à pression ambiante | azote liquide |
Le passage au-dessus de 77 K, température de l’azote liquide, a été crucial : l’azote est abondant et bon marché, contrairement à l’hélium. Certains hydrures soumis à des pressions de plus d’un million d’atmosphères ont montré des températures critiques plus élevées encore, mais ils ne sont pas utilisables en pratique.
Les applications
| Application | Rôle des supraconducteurs |
|---|---|
| IRM médicale | bobines en niobium-titane refroidies à l’hélium liquide, produisant des champs de 1,5 à 3 teslas, voire davantage en recherche |
| Accélérateurs de particules | le LHC du CERN utilise plus de 1 200 aimants dipolaires supraconducteurs refroidis à 1,9 K |
| Fusion nucléaire | les aimants du tokamak ITER, en construction en France, sont en Nb₃Sn et NbTi (voir fission et fusion nucléaire) |
| Trains à lévitation | le Maglev japonais SCMaglev utilise des aimants supraconducteurs ; il a atteint 603 km/h en 2015 |
| SQUID | capteurs de champ magnétique ultrasensibles, capables de mesurer l’activité magnétique du cerveau |
| Ordinateurs quantiques | de nombreux qubits sont des circuits supraconducteurs (voir intrication quantique) |
| Câbles électriques | quelques lignes de démonstration dans des villes, refroidies à l’azote liquide |
Les obstacles
La supraconductivité reste coûteuse : il faut maintenir des températures cryogéniques, ce qui demande de l’énergie et des installations. Les céramiques à haute température sont fragiles et difficiles à mettre en forme en fils. Un supraconducteur qui perd brutalement son état, par exemple à cause d’un échauffement local, peut libérer en un instant l’énergie stockée dans l’aimant : c’est une transition résistive (quench), redoutée dans les accélérateurs.
Questions fréquentes
Qu’est-ce qu’un supraconducteur ?
Un matériau qui, refroidi sous une certaine température, conduit le courant électrique sans aucune résistance et expulse le champ magnétique.
Pourquoi les supraconducteurs lévitent-ils au-dessus d’un aimant ?
Parce qu’ils expulsent le champ magnétique de leur volume (effet Meissner) : ils se comportent comme un miroir magnétique qui repousse l’aimant. Dans les supraconducteurs de type II, l’ancrage partiel du champ rend cette lévitation stable.
Existe-t-il un supraconducteur à température ambiante ?
Non, à pression ordinaire. Le record pratique est d’environ 133 K (−140 °C) pour des cuprates. Les annonces de supraconductivité ambiante, comme LK-99 en 2023, n’ont pas été confirmées.
Où utilise-t-on la supraconductivité au quotidien ?
Principalement dans les appareils d’IRM des hôpitaux. Elle sert aussi dans la recherche (accélérateurs, fusion), dans certains trains à lévitation et dans les ordinateurs quantiques.