Histoire de la supraconductivité

La découverte

-Traduit par Mondo Agit-

Au xixe siècle déjà, diverses expérimentations avaient été réalisées pour mesurer la résistance électrique à basse température. James Dewar a été l’un des pionniers en la matière.

Cependant, la supraconductivité n’a été découverte qu’en 1911, année au cours de laquelle le Hollandais Heike Kamerlingh Onnes a observé que la résistance électrique du mercure devenait brusquement nulle en-dessous d’une température de l’ordre de 4 K (-269°C) alors qu’on espérait qu’elle diminuerait graduellement jusqu’au zéro absolu. Pour l’ensemble de ses découvertes, et principalement pour son travail lié à la liquéfaction de l’hélium, il a reçu deux ans plus tard le prix Nobel de physique. Durant les premières années, le phénomène a été connu sous le nom de supraconductivité.

En 1913, on a découvert qu’un champ magnétique suffisamment grand détruisait également l’état supraconducteur, ce qui a mené à la découverte trois ans plus tard de l’existence d’un courant électrique critique.

Étant donné qu’il s’agit d’un phénomène principalement quantique, il n’y a pas eu de grandes avancées dans la compréhension de la supraconductivité car la compréhension et les outils mathématiques dont disposaient les physiciens de l’époque n’étaient pas suffisants pour affronter le problème avant les années 1950. C’est pourquoi, la recherche a jusque là été simplement phénoménologique, comme par exemple la découverte de l’effet Meissner en 1933 et sa première explication grâce à la résolution de l’équation de London deux ans plus tard par les frères Fritz et Heinz London.

Les théories principales

Les plus grandes avancées dans la compréhension de la supraconductivité ont eu lieu dans les années 1950 : la théorie Ginzburg-Landau a été publiée en 1950 et la théorie BCS a été proposée en 1957.

La théorie BCS a été proposée par Bardeen, Cooper et Schrieffer (d’où les initiales BCS). En 1972, ils obtinrent le prix Nobel de physique pour leur travail. Cette théorie a pu être développée grâce à deux pistes fondamentales proposées par des physiciens expérimentaux au début des années 1950 :

  •    la découverte de l’effet isotopique en 1950 (qui a relié la supraconductivité et la structure cristalline),
  •    et la découverte de Lars Onsager en 1953 comme quoi les porteurs de charge sont en réalité des paires d’électrons appelées paires de Cooper (résultat d’expériences sur la quantification du flux magnétique qui passe au travers d’un anneau supraconducteur).

La théorie Ginzburg-Landau est une généralisation de la théorie de London développée par Vitaly Ginzburg et Lev Landau en 1950. Bien que cette théorie soit arrivée sept ans avant la théorie BCS, les physiciens d’Europe occidentale et des États-Unis ne lui ont pas prêté beaucoup d’attention à cause de son caractère plus phénoménologique que théorique, en plus du manque de communication de cette époque entre les deux côtés du rideau de fer. Cette situation a changé en 1959 quand Lev Gor’kov a démontré, dans un article qui a également été publié en anglais, que l’on pouvait s’appuyer avec exactitude sur la théorie microscopique.

En 1962, Brian David Josephson a prédit qu’il pouvait y avoir du courant électrique entre deux supraconducteurs même s’il y avait une petite séparation entre eux, à cause de l’effet tunnel. Un an plus tard, Anderson et Rowell ont confirmé cela expérimentalement. L’effet prendra le nom d’effet Josephson et fait partie des phénomènes les plus importants des supraconducteurs, vu qu’il possède de nombreuses applications, de la magnétoencéphalographie à la prédiction de tremblements de terre.

Les supraconducteurs de haute température

Après quelques années de stagnation relative, en 1987, Bednorz et Müller ont découvert qu’une famille de matériaux céramiques, les oxydes de cuivre avec une structure de pérovskite, étaient supraconducteurs à des températures critiques supérieures à 90 kelvin. Ces matériaux, connus comme supraconducteurs de haute température, ont relancé l’intérêt pour la recherche de la supraconductivité. En tant que thème de la recherche pure, ces matériaux constituent un nouveau phénomène qui ne s’explique que par le fait qu’il fait passer les électrons par couples ou ” paires de Cooper “. De plus, comme l’état supraconducteur persiste jusqu’à des températures plus maniables, supérieures au point d’ébullition du nitrogène liquide, de nombreuses applications commerciales seraient viables, surtout si on découvrait des matériaux avec des températures critiques encore plus grandes.