Les principes
Des types de supraconducteurs différents
On connaît à ce jour deux types des supraconducteurs : le type I et le type II. Les échantillons très purs de plomb, de mercure, et d'étain sont des exemples de supraconducteurs de type I. Les supraconducteurs en céramique à hautes températures tels que le YBa2Cu3O7 (Yttrium, Baryllum, Cuivre, Oxyde) et le Bi2CaSr2Cu2O9 (Bismuth, Calcium, Strontium, Cuivre, Oxyde) sont des exemples des supraconducteurs de type II. Le schéma 9 (fig.9) montre que quand un champ magnétique externe (axe des abscisses) est appliqué à un supraconducteur de type I, le champ magnétique induit repousse parfaitement ce champ magnétique appliqué jusqu’à ce que le matériau incriminé passe brutalement de l’état supraconducteur à l’état normal.
fig.9
Les supraconducteurs de type I sont des métaux très purs qui ont des champs critiques trop bas pour l'usage dans des aimants. La force de champ magnétique est mesurée en Gauss (G). Le champ magnétique de la terre est approximativement de 0,5 Gauss. La force du champ sur la surface d'un aimant d’un alliage de néodyme-fer-bore est approximativement de 16 kilogauss. Le supraconducteur de type I le plus fort, le plomb pur, a un champ critique d'environ 800 Gauss. Le gauss est une unité très petite. Une unité beaucoup plus grande de force de champ est le Tesla (T). Dix kilogauss (1 x 104 Gauss) est égal à 1 Tesla.
Le schéma 10 (fig.10) 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 que ce graphique a un Hc1 et Hc2. Au-dessous de Hc1, le supraconducteur exclut toutes les lignes de champ magnétique. Lorsque le champ est compris entre Hc1 et Hc2, il commence à pénétrer le 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. Les supraconducteurs de type I ont un Hc trop bas pour être très utiles. Cependant, les supraconducteurs de type II ont des valeurs beaucoup plus grandes de Hc2. YBa2Cu3O7 par exemple, a des valeurs de champ critique maximum proches de 100 Tesla.
fig.10
Le comportement des supraconducteurs de type II aide également à expliquer l'effet Meissner. Lors de la lévitation d’un aimant au dessus d’un supraconducteur de type I, il faut utiliser une cuvette afin d’empêcher l’aimant de glisser à l’extérieur du supraconducteur. L'aimant est dans un état de forces équilibrées tout en flottant sur la surface des lignes de champ. Puisque le champ à la surface d’un aimant de samarium-cobalt est environ de 600 G et que le Hc1 pour un supraconducteur à base de YBCO est inférieur à 200 G, le matériau est dans un état mixte lorsque l’on exécute la démonstration de l’effet Meissner. Certaines des lignes de champ de l'aimant ont pénétré l'échantillon et sont emprisonnées dans les défauts de grain des cristaux du matériau. Ceci est connu sous le nom de « fixateur de flux » et « bloque » l’aimant dans une région au-dessus de la plaque supraconductrice.
L'état supraconducteur est donc défini par trois facteurs très importants : la température critique (Tc), le champ critique (Hc), et la densité de courant critique (Jc). Chacun de ces paramètres dépend beaucoup des deux autres propriétés. Le maintien de l'état supraconducteur exige que le champ magnétique et la densité de courant, aussi bien que la température, demeurent au-dessous des valeurs critiques, qui dépendent du matériau. Le diagramme de phase sur le schéma 11 (fig.11) montre le rapport entre la Tc, le Hc, et la Jc. Les valeurs les plus élevées pour Hc et Jc sont obtenues à 0 K, alors que la valeur la plus élevée pour la Tc est obtenue quand H et J sont à zéro.
L’aire délimitée lorsque l’on prend en compte les 3 paramètres est appelée « Surface critique ». En partant de cette surface vers l’origine, le matériau est supraconducteur. Lorsque l’on se trouve dans les régions en dehors de cette surface, le matériau est dans un état normal ou mixte. Quand les électrons forment des paires de Cooper, ils peuvent partager le même état d’énergie.
Ceci a comme conséquence un état inférieur d'énergie pour le supraconducteur. La Tc et le Hc sont des valeurs favorables au cassage des paires d’électrons.
Une densité de courant supérieure à la densité critique est forcée pour traverser le supraconducteur. Ce flux passant au travers de la partie normale du matériau en état mixte est directement lié au mouvement des lignes de champ. Pour la plupart des applications pratiques, les supraconducteurs doivent pouvoir porter les courants élevés et résister au champ magnétique élevé sans retourner à leur état normal.
fig.11
Des valeurs plus élevées de Hc et de Jc dépendent de deux paramètres importants qui influencent la minimisation d'énergie, la profondeur de pénétration de London et la longueur de cohérence. La profondeur de pénétration est la longueur caractéristique de la pénétration d'un champ magnétique dû à la présence de courants de surface. La longueur de cohérence est la longueur minimale entre laquelle la supraconductivité peut être établie.
Le rapport entre la profondeur de pénétration et la longueur de concordance s’appelle paramètre de Ginzburg-Landau. Si cette valeur est plus grande que 0.7, l’exclusion complète du flux magnétique est plus favorable et le champ magnétique peut pénétrer le supraconducteur en des points appelés tourbillons. Les courants, tourbillonnant autour des points normaux, produisent des champs magnétiques parallèles au champ appliqué. Ces faibles champs magnétiques se repoussent et se déplacent pour s'agencer en rangées ordonnées connues sous le nom de « maillage de flux ».
Cette phase mixte aide à préserver la supraconductivité de Hc1 à Hc2. Il est très important que ces tourbillons ne se déplacent pas en réponse aux champs magnétiques si les supraconducteurs doivent porter de grands courants. Des mouvements de tourbillons entraînent l’apparition d’une résistance. Le mouvement de tourbillon peut être effectivement associé à des emplacements de défauts atomiques, tels que des inclusions, ou des impuretés. Les sites de fixation (endroits où se produisent les mouvements de tourbillons) peuvent être intentionnellement introduits dans un supraconducteur en y ajoutant des impuretés ou en le soumettant à des radiations.