Une surprise électrique

Alors qu’il travaille, à Leyde, à la création d’un laboratoire de physique expérimentale d’échelle quasi industrielle dédié à la cryogénie (la physique « des grands froids »), le Néerlandais Heike Kamerlingh Onnes s’engage en 1882 dans la course vers le « zéro absolu »¹. Il cherche à liquéfier l’hélium afin d’approcher au plus près possible cette température. Après plusieurs échecs dus à la complexité technique de l’entreprise, il réalise cette liquéfaction en 1908, à la température record de 4 kelvins (K). Ce succès n’est pas une fin en soi pour Onnes : il y voit plutôt un moyen d’explorer les propriétés de la matière, et notamment la résistivité électrique² des métaux à très basse température.

Au « hasard » d’une expérience

Onnes constate que la résistivité du platine décroît proportionnellement à la baisse de la température, sans jamais remonter, contrairement à ce que prédisaient certains de ses confrères (ils supposaient que les électrons tendent à se figer au voisinage de 0 K et à empêcher ainsi le passage d’un courant électrique). En 1911, alors qu’il reproduisait cette expérience avec du mercure (facile à purifier car liquide à température ambiante, et la caractérisation d’un matériau est d’autant meilleure que celui-ci est pauvre en impuretés), il observe un phénomène surprenant : à 4,2 K, la résistivité du métal disparaît brusquement ! Les électrons ne semblent plus freinés ni par les impuretés restantes ni par les vibrations du réseau cristallin.

Onnes observe par la suite ce phénomène dans d’autres métaux et des alliages. S’il ne sait expliquer cette « supraconductivité », il imagine en revanche d’excitantes applications telles des câbles permettant de transporter l’électricité sans perte d’énergie. À sa mort, en 1926, aucune application n’a encore vu le jour et le mystère de la supraconductivité reste entier.

Une théorie inachevée

En 1933, Meissner et Ochsenfeld mettent en évidence une autre propriété fondamentale de l’état supraconducteur : la capacité à « expulser » un champ magnétique produit par une source externe (à l’intérieur du matériau, ce champ devient nul). Cet « effet Meissner » se manifeste notamment par la lévitation d’un aimant au-dessus d’un matériau supraconducteur.³ Il n’est alors pas mieux compris que la disparition de la résistivité électrique, et c’est seulement en 1957 que Bardeen, Cooper et Schrieffer échafaudent un premier modèle théorique complet rendant compte des effets électrique et magnétique observés, en étayant les hypothèses audacieuses de London puis celles de Landau. Ces derniers avaient proposé que la supraconductivité soit la manifestation macroscopique d’un phénomène purement quantique (intervenant seulement à l’échelle des atomes). Le modèle BCS (initiales des trois précédents physiciens) vient alors préciser physiquement la solution mathématique particulière, trouvée par Landau, de l’équation quantique de Schrödinger⁴ : les électrons se regroupent par paires (dites de Cooper) qui se meuvent à la même vitesse pour former un courant insensible aux obstacles du réseau cristallin.

Cette théorie permet de décrire enfin et de prédire efficacement les comportements des matériaux supraconducteurs connus... jusqu’à ce que soient découverts, dès 1986, des « supraconducteurs à haute température » (35 K, puis 77 K, et récemment 138 K avec un cuprate de mercure) auxquels le modèle BCS ne s’applique plus bien.

Des matériaux supraconducteurs sont désormais utilisés en imagerie médicale (IRM), dans les accélérateurs de particules, dans des prototypes de train en lévitation, dans le stockage et le transport de l’énergie électrique... mais la technologie de la supraconductivité reste très coûteuse notamment en raison du refroidissement énergivore qu’elle exige. C’est pourquoi, si certains physiciens continuent de chercher à mieux comprendre ce phénomène, beaucoup d’autres s’attachent essentiellement à mettre au point des matériaux supraconducteurs à température ambiante. S’ils y parvenaient, les applications de la supraconductivité viendraient probablement bouleverser notre vie quotidienne.

1. 0 K ou -273,15°C (température en kelvins = température en degrés Celsius + 273,15), soit la température la plus basse qui puisse exister

2. capacité à s'opposer à la circulation d'un courant électrique (résistance électrique d'un tronçon de matériau d'un mètre de long et de section de 1 m²)

3. La supraconductivité dans tous ses états

4. Cf. Entre physique et métaphysique, P. Teissier, Têtes chercheuses n°18