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Sofiane

Definitions 

La température critique Tc

C’est la température en dessous de laquelle le matériau est supraconducteur. On peut l’indiquer en degré celsius, mais les physiciens préfèrent les degrés kelvin (pour ça, il faut ajouter 273 à la température en celsius).

 Le courant critique Ic

C’est le courant maximum qu’on peut faire passer dans un supraconducteur. Au-delà, le matériau redevient un métal normal, et se met alors à résister et à chauffer comme tout autre métal. Les physiciens utilisent plus souvent la notion de densité de courant, c’est-à-dire un courant divisé par la section du fil électrique, appelé dans ce cas jc. Par exemple dans un cuprate , on peut faire circuler plus de 10 000 ampères par cm2.

Le champ critique Bc

C’est le champ magnétique maximum qu’on peut appliquer à un supraconducteur. Au-delà, le matériau redevient un métal normal. Par exemple dans un cuprate, ce champ peut atteindre jusqu’à 60 teslas, soit plus d’un million de fois le champ terrestre. On doit pour certains supraconducteurs définir des champs critiques Bc1et Bc2 associés à la présence des vortex

Le terme phénoménologie appliqué à la science est utilisé pour décrire un corps de connaissance reliant de nombreuses observations empiriques entre elles, de façon cohérente avec la théorie fondamentale, mais n'en étant pas issu.

En physique on dit qu'une symétrie est brisée lorsqu'après changement de certaines caractéristiques du système, ce dernier - ou les lois qui régissent son comportement - ne sont plus invariants sous la transformation associée à cette symétrie 

Transition de phase :Quand un supraconducteur est réchauffé, il arrête très soudainement d’être supraconducteur, à une température bien précise appelée Tc, la température critique. On parle de transition de phase, un peu comme l’eau qui se transforme en glace à 0° précisément. Le physicien russe landau , bien avant qu’on ait compris d’où vient la supraconductivité, propose une description des supraconducteurs qui permet de bien comprendre cette transition de phase.

La longueur de pénétration λ ("lambda")

Quand on applique un champ magnétique à un supraconducteur, il est expulsé de son sein, et n’arrive à s’enfoncer que sur une toute petite épaisseur mesurée par la longueur de pénétration. Celle-ci est très petite en général, de l’ordre de 10 à 100 nanomètres (1 nanomètre = 1 milliardième de mètre


La longueur de cohérence ξ ("xi")

C’est la taille sur laquelle s’étend une paire de Cooper, ou encore la distance qu’il faut pour que l’onde supraconductrice se développe. C’est aussi la taille des cœurs des vortex. Elle peut varier beaucoup selon les supraconducteurs, du micromètre dans les supraconducteurs comme l’aluminium jusqu’à seulement quelques nanomètres dans les cuprates


Physique 

Karl Alexander Müller (27 avril 1927 à Bâle en Suisse) est un physicien suisse. Il a partagé le prix Nobel de physique de 1987 pour ses travaux sur les supraconducteurs à haute température.

Johannes Georg Bednorz (16 mai 1950 à Neuenkirchen, Allemagne) est un physicien allemand. Il a partagé le prix Nobel de physique de 1987 pour ses travaux sur les supraconducteurs à haute température

Lev Davidovitch Landau (en russe : Ландау, Лев Давидович), né le22 janvier 1908 à Bakou(Empire Russe) et décédé le 1er avril 1962 à Moscou(URSS), est un physicien théoricien sovietique. Il est lauréat du prix nobel de physique de 1962 « pour ses théories pionnières à propos de l'etat condenséde la matiere, particulièrement l'helium ».

Vitaly Lazarevitch Ginzburg (21 septembre ou 4 octobre 1916 à Moscou - 8 novembre 2009)1 est un physicien et astrophysicien soviétique puis russe. Il est considéré comme un des pères de la bombe atomique soviétique.

Il est membre de l'Académie des sciences de l'ex-Union soviétique et successeur d'Igor Tamm à la tête de l'Institut de physique. Il est colauréat avec Alekseï Abrikossov et Anthony Leggett du prix Nobel de physique de 2003

  C. Les types

Des types de supraconducteurs différents

Aujourd'hui il existe deux types des supraconducteurs : les supraconducteurs de type I et de type II.

1. Les supraconducteurs de type I

Les métaux comme le plomb, le mercure, et l'étain sont des exemples de supraconducteurs de type I. En réalité, 45 éléments présentent cette propriété à basse température (figurés en bleu sur le tableau périodique des éléments).

Les métaux supraconducteurs dans

le tableau périodique des éléments (fig8.)

Champ magnétique induit par un Supraconducteur de type I en fonction du champ magnétique appliqué (fig 9.)

Les supraconducteurs de type I sont des métaux purs.

On remarque que si un champ magnétique est appliqué a un supraconducteur de type I, il en restituera un autre d'intensité égale. Mais au delà du seuil H0, plus aucun champ magnétique ne sera produit par le supraconducteur.

2. Les supraconducteurs de type II

En 1986, Bernorz et Müller, deux chercheurs, conçoivent en laboratoire de nouveaux oxydes de cuivre, les cuprates. Ils sont principalement faits de céramique.

Les supraconducteurs en céramique dit à hautes températures critique sont des supraconducteurs de type II. Ils sont appelés supraconducteurs à haute température car il révèlent les propriétés supraconductrices à des températures bien plus élevées que les supraconducteurs de type I. En effet, ils ont l'avantage de révéler cette propriété jusqu'à une température de -135° Celsius. Cette température est bien plus facile à atteindre grâce à l'azote liquide et est de plus bien plus économique.

Ces nouveaux matériaux sont constitués d'un empilement d'atomes à partir de matériaux mauvais conducteurs ou parfois même isolants.

Il est très compliqué de les comprendre car les électrons qui les parcourent font des mouvements complexes à l'intérieur de ceux-ci.

Il doivent s'éviter les uns les autres mais sont coincés dans un maillage carré.

On parle d'électrons corrélés.

Champ magnétique induit par un Supraconducteur de type I en fonction du champ magnétique appliqué (fig 10.)

Ce schéma est un graphique qui représente le champ magnétique induit en fonction du champ magnétique externe appliqué à un supraconducteur de type II. Ce schéma montre un supraconducteur de type II dans un champ magnétique croissant. On notera Hc1 et Hc2 des valeurs de champ magnétique.

Au-dessous du seuil Hc1, le supraconducteur de type II est dans un état de supraconductivité ; le diamagnétisme est présent et un champ magnétique est produit par le supraconducteur ; il y a donc lévitation.

Lorsque le champ magnétique appliqué aux supraconducteurs est compris entre Hc1 et Hc2, il commence à influer sur le comportement du matériau.

Quand ceci se produit, le matériau est dit dans un état mixte, avec une partie du matériau dans l'état normal et l’autre partie qui est toujours dans l’état supraconducteur.

Au dessus de Hc2, il n’est plus supraconducteur.



Les supraconducteurs de type I ont un Hc trop bas pour être très utiles.

En effet, un supraconducteur de type I ne pourra pas restituer un champ magnétique trop élevé

Les supraconducteurs de type II ont des valeurs beaucoup plus grandes de Hc2.

Donc le supraconducteur de type II pourra restituer du champ magnétique même si le champ magnétique qui lui est appliqué est élevé.


YBa2Cu3O7 est un cuprate, c'est la formule d'un matériau supraconducteur de type II.

Les cuprates sont des composés supraconducteurs à haute température basés sur des associations d'atomes de cuivre et d'oxygène avec d'autres éléments

Il a des valeurs de champ critique maximum proche de 100 Tesla.

Le champ magnétique terrestre est de 5.10-5 Tesla.

L'yttrium est un élément chimique, de symbole Y tout comme le baryum de symbole Ba, le cuivre de symbole Cu et l’oxygène de symbole O.

L'état d'un supraconducteur de type II varie en fonction du champ magnétique et de la température.

Lorsque le champ magnétique appliqué est en dessous de Bc1 et que la température est inférieure à Tc, les propriétés supraconductrices sont présentes ; si le champ magnétique appliqué est supérieur à Bc1, alors le supraconducteur sera dans un état mixte.

Lorsque la température est au dessus de Tc, le supraconducteur est à l’état normal.

3. Theorie de Ginzburg landau 

La théorie dite de Ginzburg-Landau, datant de 1950, est également une théorie phénoménologique.Cette théorie s'appuie sur le postulat de Landau de l'expression de l'énergie libre du système supraconducteur.

Cette expression introduit alors un paramètre d'ordre complexe lié à la probabilité de présence des paires de Cooper. Un matériau passe d'un état désordonné à haute température à un état ordonné, lorsque sa température est au-dessous de sa température critique (Tc). La conséquence est que ce paramètre d'ordre est nul au-dessus de Tc, et non nul en dessous. Ce passage marque ainsi une brisure de symétrie, la supraconductivité est donc une transition de phase d'ordre 2.


On ne détaillera pas la théorie, toutefois, on peut noter les conséquences relativement importantes de cette dernière. En effet, cette théorie permet de classer les supraconducteurs selon un paramètre k tel que :

ξ est nommé la longueur de cohérence et vérifie :


On peut reprendre l'expression trouvée par les frères London pour, et la modifier de manière à l'exprimer en fonction de Tc et T :

On distingue alors deux valeurs notables de k :

alors le supraconducteur est un supraconducteur de type I.

alors le supraconducteur est un supraconducteur de type II.


De par cette théorie, il est également possible de retrouver le classement des supraconducteurs, grâce à l'énergie magnétique, qui se calcule en fonction de, et à l'énergie de mise en ordre électronique, qui, elle, se calcule en fonction de. On retrouve ainsi l'énergie de surface, et selon son signe, on détermine le type du supraconducteur. Si cette énergie est positive, le supraconducteur est de type I, sinon il est de type II.


Aujourd'hui on a compris le fonctionnement des supraconducteurs de type I mais les supraconducteurs de type II restent encore incompris.

La difficulté pour les comprendre vient du mouvement compliqué des électrons qui les parcourt. Les physiciens et les chimistes ont recourt à de nouvelles théoriques pour modéliser et comprendre ses supraconducteurs. De nouveaux types d’expériences sont aussi développées pour mesurer le comportement des électrons dans ses oxydes. (par exemple en irradiant un échantillon avec un laser)