Supraconductivité – Température critique

La Supraconductivité et la Température Critique

La supraconductivité est un phénomène distinct de la conductivité ordinaire. Contrairement aux meilleurs conducteurs normaux, tels que l’argent et le cuivre, aucun ne peut devenir supraconducteur à aucune température. Les nouveaux supraconducteurs en céramique, en réalité, sont de bons isolants lorsqu’ils ne sont pas à des températures suffisamment basses pour être en état de supraconductivité. La relation entre la supraconductivité et les basses températures est fondamentale. Pour qu’un matériau devienne supraconducteur, il doit être refroidi en dessous d’une température critique appelée température de transition supraconductrice ou température critique (Tc).

Cette température de transition varie selon les matériaux supraconducteurs et peut aller de quelques Kelvin (K) à plusieurs centaines de K. À basses températures, les vibrations atomiques dans un matériau diminuent, ce qui signifie qu’il y a moins d’obstacles à la circulation des électrons. Cela conduit à la formation de paires de Cooper, qui sont des paires d’électrons liées ensemble par des vibrations de réseau. Dans un métal normal, les électrons rencontrent une résistance lorsqu’ils entrent en collision avec les atomes dans la structure de réseau du matériau, mais dans un supraconducteur, les paires de Cooper se déplacent à travers la structure du réseau sans aucune résistance.

Types de Supraconducteurs

Les supraconducteurs peuvent être classés en deux types principaux :

• Type I : Ces supraconducteurs ont un seul champ magnétique critique, en dessous duquel ils présentent une conductivité parfaite, et au-dessus duquel ils perdent brusquement leurs propriétés supraconductrices. Ils sont également appelés supraconducteurs « doux ». Des exemples de supraconducteurs de type I incluent le mercure, le plomb et l’étain.
• Type II : Ces supraconducteurs ont deux champs magnétiques critiques, et entre eux, ils présentent un état mixte où seules certaines parties du matériel sont supraconductrices. Ils sont également appelés supraconducteurs « durs ». Des exemples de supraconducteurs de type II incluent le niobium-titane, le niobium-étain et YBCO (oxyde de cuivre de baryum yttrium). Les supraconducteurs de type II sont plus largement utilisés dans les applications pratiques car ils peuvent fonctionner à des champs magnétiques et températures plus élevés que les supraconducteurs de type I.

En plus de ces deux types principaux, il existe également des supraconducteurs non conventionnels qui ne correspondent pas à la théorie BCS conventionnelle de la supraconductivité. Ceux-ci incluent les supraconducteurs à haute température et les supraconducteurs de fermions lourds.

Température Critique

La température critique (Tc) est un paramètre clé pour les supraconducteurs, car c’est la température en dessous de laquelle le matériau présente une résistance électrique nulle et un diamagnétisme parfait. Pour les supraconducteurs conventionnels, tels que Nb₃Sn et NbTi, la température critique est relativement basse, allant d’environ 9 K (-264 °C) à 18 K (-255 °C) selon le matériau et les conditions de l’échantillon. En revanche, les supraconducteurs à haute température, tels que les cuprates et les supraconducteurs à base de fer, ont des températures critiques beaucoup plus élevées, allant d’environ 30 K (-243 °C) à 138 K (-135 °C) pour le matériau Tc record HgBa₂Ca₂Cu₃O_8+δ.

Matériaux Supraconducteurs

Voici un tableau de 10 supraconducteurs avec leurs caractéristiques clés.