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Module expérimental "Supraconductivité"

La supraconductivité est le phénomène par lequel un matériau, habituellement un métal, perd toute résistivité électrique en dessous d’une certaine « température critique », Tc. En même temps, le supraconducteur exclura tout champ électromagnétique de son intérieur, mis à part une fine couche surfacique, un phénomène appelé effet Meissner. On distingue les supraconducteurs de première espèce, dans lesquels la disparition de l’effet Meissner signale le retour à l’état métallique normal, des supraconducteurs de type II, dans lesquels l’état sans champ électromagnétique (l’état Meissner) est séparé de l’état normal par une phase mixte, dans laquelle le supraconducteur est traversé par des lignes de flux magnétique quantifié, ou vortex.

La température critique est, pour de nombreux supraconducteurs, peu élevée, de l’ordre de quelques Kelvin. Or, dans les oxydes à base de cuivre, les cuprates, la température critique peut atteindre jusqu’à 135 K.

Si la supraconductivité en tant que phénomène est déjà plus que centenaire, de nouveaux matériaux supraconducteurs sont découverts tous les ans. De même, si la théorie de la supraconductivité, établie en 1957 par Bardeen, Cooper, et Schrieffer, décrit la supraconductivité des éléments et de nombreux composés binaires de manière remarquable, et dans absolument tous les détails, la supraconductivité à haute température critique dans les cuprates reste énigmatique.

La supraconductivité reste donc un terrain de recherche passionnant et fructueux. Le module expérimental « Supraconductivité » propose de découvrir sa phénoménologie. Les élèves préparent leurs propres cuprates supraconducteurs, dont ils étudient ensuite l’effet Meissner et l’effet de lévitation magnétique. On propose ensuite d’effectuer la mesure de Tc par des mesures magnétiques. Le Module expérimental comprend donc une part importante de manipulations à basses températures.

En prenant une approche qui est résolument celle de la science des matériaux, le module expérimental donne en même temps l’occasion de découvrir des techniques importantes de caractérisation telle que la diffraction des rayons X et la microscopie électronique à balayage. Les élèves apprennent à utiliser ces méthodes en les appliquant à la caractérisation des matériaux qu’ils ont eux-mêmes préparés. Ils apprennent également l’influence de la morphologie des matériaux (monocristallin, polycristallin, couche mince) sur les propriété physiques.

Le Module expérimental est habituellement clos par une série de quatre séances plus personnalisées. Dans ces séances, on pourra étudier la pénétration du champ magnétique dans les supraconducteurs de deuxième type en appliquant la méthode magnéto-optique de visualisation. Selon le choix des élèves, on étudiera le courant critique, c’est-à-dire le courant électrique maximal que le supraconducteur peut porter avant l’apparition de dissipation par effet Joule, ou encore la disparition de la résistivité. Il est également possible d’étudier d’autres systèmes supraconducteurs, tels que les supraconducteurs à base de fer découverts récemment, ou des nouvelles phases de cuprates.     

Le Module expérimental s’étale sur 9 séances, avec un oral d’entrainement à mi-parcours.

 

 
Figure : Disparition de la résistance (en ordonnée) d’une couche mince d’YBa2Cu3O7 à la température critique Tc.

 

Figure : Lévitation d’un bloc d’YBa2Cu3O7 supraconducteur au dessus d’une piste d’aimants NdFe14B.

Figure : Pénétration du flux magnétique dans une couche mince d’YBa2Cu3O7, telle qu’observée en utilisant la méthode magneto-optique de visualisation.

Figure : Etude d’une céramique d’YBa2Cu3O7 par la méthode magnéto-optique de visualisation.