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.