Les principes
La théorie B.C.S et les phonons
La compréhension de la supraconductivité a fait un pas en avant en 1957 avec trois physiciens Américains – John Bardeen, Leon Cooper, et John Schrieffer – par leur théorie sur la supraconductivité, connue sous le nom de théorie BCS. La théorie BCS décrit la supraconductivité à des températures proches du zéro absolu.
Cooper s'est rendu compte que les vibrations du maillage atomique étaient directement responsables de l’unification de tout le courant. Ces basses températures forceraient en effet les électrons à s’unifier en paires qui pourraient outrepasser les obstacles responsables de la résistance du conducteur. Ces paires d'électrons sont connues sous le nom de « paires de Cooper ».
Cooper et ses collègues savaient que les électrons, qui se repoussent normalement mutuellement, devaient éprouver une sorte d’attraction forcée. La réponse à ce problème s'est avérée être ce que l’on nomme les phonons : des rassemblements d’ondes sonores présentes lorsque le maillage atomique, constitutif de la matière, vibre. Bien que cette vibration de la matière ne soit pas audible, son rôle comme modérateur est indispensable.
fig.2
Selon la théorie, lorsqu'un électron négativement chargé passe à travers des ions chargés positivement, le maillage moléculaire ondule. Ceci a pour effet d’émettre des phonons qui forment des cuvettes d’ions positifs autour des électrons. Le schéma ci-dessus (fig.2) illustre une vague de déformation du maillage moléculaire due à l'attraction d'un électron mobile. Avant que l'électron ait traversé entièrement la cuvette et que le maillage ait retrouvé sa position normale, un second électron est attiré vers cette cuvette. C’est par ce processus que deux électrons, qui devraient normalement se repousser, s’attirent et se lient.
Les forces exercées par les phonons surmontent la répulsion normale des électrons. Les paires d'électron sont en cohésion entre elles car elles traversent le conducteur à l’unisson, c'est-à-dire que le second électron d’une première paire devient le premier électron de la paire qui suit. Les électrons sont séparés par une certaine distance. Lorsqu’un électron qui constitue une paire de Cooper passe proche d’un ion dans le maillage de la structure cristalline du matériau, l’attraction entre l’ion et l’électron provoque une vibration qui se transmet d’ion en ion jusqu’à ce qu’un électron absorbe cette vibration.
Le véritable effet est que l'électron a émis un phonon et l’électron suivant l’a absorbé. C'est cet échange qui permet de conserver les paires de Cooper. Il est important de comprendre, cependant, que les paires se brisent et se reforment constamment. Puisque les électrons sont des particules indistinguibles, il est plus facile de les imaginer constamment reliés. Le schéma ci-après (fig.3) illustre comment deux électrons, en paire de Cooper, deviennent attachés ensemble.
fig.3
Par cet arrangement en paires, les électrons traversent le supraconducteur plus facilement, avec moins de collisions. L'électron peut être considéré comme une voiture qui roulerait sur l‘autoroute. Lorsqu’elle avance, la voiture fend l’air sur son passage. Il se forme derrière elle un vide qui est rapidement comblé par l’air qui s’engouffre. Une voiture qui suivrait la première serait aspirée par ce flux d’air.
La voiture de derrière est en effet attirée vers celle qui la précède par l’engouffrement d’air. Il se produit le même effet avec les électrons : lorsque l’électron passe entre les ions positifs, il les attire vers lui. Lorsque le maillage, ainsi déformé, va retrouver sa position initiale, l’électron suivant est attiré vers le premier comme les deux voitures avec le flux d’air à cause d’une brusque augmentation de la polarisation positive.
Des électrons en état supraconducteur sont comme des rangées de voitures qui se déplaceraient rapidement. Les régions de vide entre les voitures les lient toutes en rangées ordonnées et il se passe le même phénomène avec les électrons. Des rafales de vent impromptues peuvent être envisagées pour induire des collisions, tout comme les phonons thermiquement excités cassent des paires.
La théorie de B.C.S prouve avec succès que des électrons peuvent être attirés les uns les autres par des interactions avec le maillage cristallin. Ceci se produit malgré le fait que les électrons ont la même charge. Quand les atomes du maillage oscillent entre régions positives et négatives, la paire d'électron est alternativement attirée et repoussée sans collision. L'appareillement d'électron en paires de Cooper est favorable parce qu'il a l'effet de mettre le matériau dans un état d'énergie moindre. Quand des électrons sont liés en paires, ils se déplacent dans le supraconducteur de manière ordonnée.