supra 1 2

LE FROID
A l’origine de la supraconductivité
Degré Celsius / Kelvin
15 millions °C / 15 millions K
Centre du Soleil
1000 °C / 1273 K
Lave d’un voclan
ou cœur d’un feu de cheminée
58°C / 331 K
Plus haute température sur
terre : 1922, en Lybie
37 °C / 310 K
Corps humain
0 °C / 273 K
L’eau gèle
-89 °C / 184 K
Plus basse température
sur Terre : 1983, Vostok,
Antarctique
-135 °C / 138 K
Plus haute température connue
pour la supraconductivité, dans
un cuprate
-195 °C / 78 K
L’air devient liquide
-234 °C / 39 K
Plus haute température
connue à laquelle un métal est
supraconducteur
-269 °C / 4,2 K
L’hélium devient liquide
le mercure devient supraconducteur
-273°C / 0 K
Le zéro absolu
tout mouvement disparait,
ne restent que des effets
quantiques
A très basses températures, les
propriétés électriques et magnétiques
de certains matériaux tels le plomb, le
mercure ou certains oxydes changent
radicalement.
Ces matériaux deviennent
supraconducteurs : ils n’opposent
plus aucune résistance au passage
du courant électrique et expulsent les
champs magnétiques.
Ce phénomène, découvert il y a cent ans,
est une manifestation particulièrement
marquante de la physique quantique
sur des objets de taille macroscopique :
les nombreux électrons du matériau
se regroupent dans une même onde
quantique qui s’étend sur de très
grandes distances.
Aujourd’hui la supraconductivité est un
domaine de recherche extrêmement
actif, qu’il s’agisse d’élucider
les mécanismes qui en sont
à l’origine, de concevoir
de nouveaux matériaux
supraconducteurs ou
d’étendre le champ des
applications.
1913
NOBEL
En 1908, le physicien néerlandais Kamerlingh
Onnes (1853-1926) est le premier à liquéfier de
l’hélium. Pour cela il a conçu un réfrigérateur
permettant de s’approcher à quelques
degrés du zéro absolu qu’il va ensuite utiliser
pour mener à bien un programme d’étude
systématique des propriétés physiques
des matériaux à très basse
température. Le 8 avril 1911, le
mercure est à l’étude. K. Onnes
s’aperçoit que la résistance
électrique de ce corps s’annule
totalement : le premier
supraconducteur est découvert.

LA SUPR A CONDUCTIVITÉ
Zéro pointé de résistance
LA L É VITATION
Version magnétique
LES MAT É RIAUX
De quoi sont-ils faits ?
Température
ambiante
Très froid
Température
ambiante
Un aimant crée autour de lui un champ
magnétique qui traverse les matériaux non
magnétiques comme la pastille noire.
Très froid
Quand la pastille noire devient
supraconductrice, à basse température, celle-ci
expulse le champ magnétique. Cela exerce une
force sur l’aimant et le fait léviter : c’est l’effet
Meissner.
TC = 4,2 K
1911
Mercure
Le mercure, le premier
supraconducteur découvert.
TC = 18 K
1954
Niobium (alliages)
Les alliages de Niobium, comme ici
Nb3Sn, sont utilisés pour faire les fils
électriques dans les bobines d’IRM.
Chimistes et physiciens travaillent de
concert pour imaginer, concevoir, synthétiser et
caractériser de nouveaux supraconducteurs. Ils
calculent les structures avec les méthodes de
la chimie quantique des solides, synthétisent
les composants, analysent leurs structures par
diffraction de rayons X et testent leurs propriétés
physiques à basse température.
Dans un circuit électrique, la pile crée un
courant électrique en mettant les électrons en
mouvement. Ces électrons entrent en collision
avec les défauts du conducteur électrique. Ils
sont ainsi ralentis et cèdent leur énergie au
matériau qui s’échauffe : c’est l‘origine de la
résistance électrique.
électron
A l’échelle microscopique, la physique
quantique nous apprend que dans un métal, les
électrons (ici en rouge) se comportent comme
de ondes individuelles. Dès qu’un défaut se
présente, ou que l’un des atomes du métal vibre,
ces ondes sont perturbées.
Quand le métal devient
supraconducteur, on peut le
comparer à un banc de poissons
qui occupent de façon collective
un grand espace et se meuvent
ensemble.
John Bardeen (USA, 1908-1991), Leon Cooper
(USA, 1930-) et Robert Schrieffer (USA,
1931-) proposent en 1957 la théorie de la
supraconductivité dans les métaux et les alliages.
Cette théorie « BCS » qui porte désormais leurs
1972
NOBEL
Dans un supraconducteur, la résistance
électrique est strictement nulle. Ainsi, le
matériau ne chauffe pas et le courant électrique
continue à circuler indéfiniment dans un anneau
supraconducteur lorsque la pile est débranchée !
électron
électron
Quand un
métal devient
supraconducteur, à
très basse température,
ses électrons
s’associent socient par paire.
Toutes les
paires
d'électrons se
superposent alors les
unes aux autres pour
former une seule onde
quantique qui occupe
tout le matériau.
Cette e onde tout-à-fait
particulière devient
insensible nsible aux défauts
du matériau : ils sont
trop petits pour freiner
l’ensemble de l’onde. La
résistance stance électrique a
disparu.
initiales permet de comprendre
l’origine de la supraconductivité
et des propriétés physiques
associées.
Aimant
(dessus)
champ
magnétique
Pastille
(dessous)
2003
NOBEL
Walther Meissner (Allemagne,
1882-1974) et son collègue
Robert Ochsenfeld (Allemagne,
1901-1993) découvrent en 1933
qu’un supraconducteur expulse les
champs magnétiques.
champ
magnétique
expulsé
Pastille devenue
supraconducrice
Alexei Abrikosov (URSS, 1928-) montre,
vingt ans plus tard, que pour des champs
plus intenses, cette expulsion n’est pas
complète : le champ pénètre partiellement
dans le supraconducteur r au cœur de
tourbillons électriques appelés vortex.
1979
TC = 2,3 K
Fermions lourds
Les fermions lourds, à base de terres
rares et d’actinides, contiennent des
électrons cent fois plus lourds que
dans un métal. Leur supraconductivité
anormale peut parfois coexister avec un
état magnétique.
1980
TC = 11 K
Sels de Bechgaard
Les sels de Bechgaard sont des
supraconducteurs entièrement formés
de molécules organiques. Ils ont été codécouverts
par une équipe française et
danoise.
1986
TC = 138 K
Les cuprates
Ils sont les meilleurs supraconducteurs
connus à ce jour. Ce sont des oxydes
de cuivre dont la structure rappelle un
millefeuille d’atomes.
1991
TC = 33K
Les fullerènes
Assemblages de 60 atomes de carbone
en forme de ballon de football, les
fullerènes deviennent supraconducteurs
quand ils sont séparés par d’autres
atomes comme le potassium. Les
nanotubes de carbone peuvent aussi
parfois être supraconducteurs.
2000
TC = 39 K
Diborure de magnésium
Le MgB2 était connu depuis
longtemps. On a pourtant découvert sa
supraconductivité seulement en 2000 !
TC = 55 K
2008
Les pnictures
TC = 55 K
Les petits derniers sont des
millefeuilles à base de fer et d’arsenic.
Même s’ils ressemblent aux cuprates,
ils révèlent une physique originale.
Température critique
La température critique ique notée Tc est la
température en-dessous de laquelle le
matériau devient supraconducteur.
CUPRATES
LA RECHERCHE
En marche vers les nouveaux supras
Pendant 75 ans, il semblait impossible d’observer la
supraconductivité à des températures supérieures à -250°C.
Grande surprise en 1986 : Alex Müller et Georg Bednorz observent
ce phénomène à -238°C dans une nouvelle famille d’oxydes : les
cuprates. Cette découverte sera suivie d’une effervescence du
domaine, permettant d’obtenir de la supraconductivité jusqu’à
près de -135°. Aujourd’hui, les physiciens cherchent à comprendre
d’où doù vient cette supraconductivité « exotique », et à expliquer le
paradoxe des cuprates : ces excellents supraconducteurs sont de
très mauvais conducteurs à haute température.
PNICTURES
Les premiers supraconducteurs découverts
sont des métaux : mercure, aluminium, étain, plomb … Petit à
petit, les physiciens ont réalisé que la supraconductivité n’est
pas un phénomène exceptionnel : la moitié des corps purs
sont supraconducteurs à très basse température.
Les études ont ensuite porté sur des alliages présentant
la propriété d’être de bons conducteurs électriques à
température ambiante. Plus récemment chimistes et
physiciens ont synthétisé et mesuré une supraconductivité
encore meilleure dans des oxydes de cuivre ou des pnictures
de fer, pourtant mauvais conducteurs à température ambiante.
Les supraconducteurs n’en sont pas à un paradoxe
près. En 2008, le physicien japonais Hideo Hosono
découvre d’excellents supraconducteurs à base
de fer, un élément habituellement magnétique.
On pensait jusqu’alors que magnétisme et
supraconductivité étaient en général incompatibles.
LA RECHERCHE
Mieux comprendre le phénomène
Le domaine de la supraconductivité mobilise aujourd’hui de nombreux
chercheurs sur des thématiques variées : la compréhension des phénomènes
fondamentaux en jeu, l’amélioration des propriétés des matériaux et le développement de
nouvelles applications allant de l’information quantique au transport d’énergie.
DES MESURES TOUJOURS PLUS FINES
Des méthodes optiques, magnétiques ou électriques
permettent de sonder les nouveaux supras grâce à des
technologies toujours plus avancées.
DES CONDITIONS EXTRÊMES
Les physiciens soumettent les supraconducteurs à
des champs magnétiques très élevés, de très fortes
pressions, ou de très basses températures pour
mieux les caractériser.
COMPRENDRE ET MODÉLISER
Des physiciens développent de nouvelles
approches théoriques permettant de mieux
comprendre le mouvement complexe des électrons
dans les nouveaux supraconducteurs.
OBSERVER JUSQU’À L’ATOME
De nouvelles techniques permettent de mesurer
ces matériaux à l’échelle de l’atome, comme me le
microscope à effet tunnel.
SUPRA ET COMPAGNIE
Autres phénomènes collectifs
L’association d’un grand nombre de particules dans une même onde
quantique n’est pas propre aux électrons et à la supraconductivité. Des comportements
analogues sont observés et étudiés avec des atomes dans des phénomènes tels que
la superfluidité de l’hélium liquide ou la condensation de Bose-Einstein dans des gaz
d’atomes ultra-froids.
LIQUIDES SUPERFLUIDES
Aussi basse que soit la température, l’hélium ne gèle jamais : même
à l’approche du zéro absolu il reste liquide. Et ce n’est pas tout, pour
les températures inférieures à -271°C, soit à 2 degrés seulement du
zéro absolu, il devient superfluide. Cela signifie qu’il n’oppose plus
aucune résistance à l’écoulement. L’origine de ce phénomène est
analogue à la supraconductivité : les atomes d’hélium se regroupent
dans une même onde quantique. Outre l’absence de viscosité, ce
liquide offre des propriétés étonnantes : il traverse les matériaux
microporeux et remonte le long des parois.
GAZ ULTRA-FROID
Lorsque l’on refroidit un gaz à quelques millionièmes de degrés du zéro
absolu, les atomes qui le composent se regroupent dans une même
onde quantique : un état collectif appelé condensat de Bose-Einstein.
Les atomes qui composent ces gaz condensés sont beaucoup plus
éloignés les uns des autres que les atomes de l’hélium superfluide ou
bien les électrons d’un supraconducteur. Ils exercent donc les uns sur
les autres des forces beaucoup plus faibles. Cela permet une analyse
théorique et expérimentale fine de l’origine de la condensation nsation et des
propriétés physiques étonnantes des matériaux condensés.
Toujours plus petit
NANOPHYSIQUE
La supraconductivité est par essence un phénomène collectif. Que
devient cet effet lorsque l’on réduit la taille des échantillons jusqu’à
n’avoir plus que quelques électrons ? Des expériences récentes
réalisées dans des métaux ou dans certains nanomatériaux,
comme les nanotubes, montrent que la supraconductivité survit
à l’échelle du nanomètre. Elle peut même pénétrer dans des
isolants placés à proximité, ou apparaître de façon inattendue à
l’interface de deux couches d’isolants.
1987
NOBEL
Le suisse Georg Bednorz (1950-) et L’allemand
Alex Müller (1927-) publient en 1986 un
article qui révolutionne le domaine de la
supraconductivité : ils viennent de découvrir
une nouvelle famille de matériaux, les
cuprates, qui peuvent être
supraconducteurs à des
températures anormalement
élevées.
2001
& 1978 NOBEL
En 1938, Pyotr Kapitza (URSS, 1894-1984),
John Allen (Canada, 1908-2001) et Don
Misener (Canada) découvrent que l’hélium 4
devient suprafluide à très basse température.
Un état analogue, la condensation de Bose-
Einstein, est observé dans des gaz ultra-froids
par Eric Cornell, Carl Wieman et Wolfgang
Ketterle en 1995.

A QUOI Ç A SERT ?
La supra aux deux infinis
A QUOI Ç A SERT ?
Electricité et transport
A QUOI Ç A SERT ?
Soigner et voir l’invisible
Les matériaux supraconducteurs sont au cœur des instruments
utilisés par les chercheurs pour étudier les particules élémentaires ou
observer l’univers.
INFINIMENT GRAND
Dans les détecteurs ultrasensibles utilisés pour
la recherche de la matière noire ou l’étude du
rayonnement fossile de l’univers, des bolomètres
supraconducteurs captent l’infime énergie
STOCKAGE D’ÉLECTRICITÉ
Dans une bobine de fil supraconducteur r
refermée sur elle-même, il n’y a aucune
perte d’énergie : le courant électrique
tourne indéfiniment. Des bobines sont
ainsi conçues spécialement pour stocker
de l’énergie sous forme électrique. Les
bobines supraconductrices permettent
la restitution de l’énergie la plus rapide.
La voie est ouverte pour des applications
nécessitant une puissance très importante
pendant un bref instant.
TRANSPORT
Le MAGLEV, le train le plus rapide
au monde, est japonais. Grâce aux
supraconducteurs, il ne touche pas les
rails. Les bobines supraconductrices
placées à bord du train permettent
d’induire des forces dans d’autres bobines
placées dans le rail. Le train peut ainsi
léviter et ne pas frotter sur les rails. Ce
train n’est pas commercialisé, mais il a
été testé sur 40 km de voies dans la région
SQUID
Les mouvements de charges électriques dus
à l’activité cérébrale produisent des champs
magnétiques qu’il est maintenant possible de
détecter. C’est avec des supraconducteurs dans
des dispositifs appelés SQUID que l’on mesure
ces champs magnétiques un milliard de fois plus
faibles que le champ terrestre.
Grâce à ces capteurs, les neurologues observent
le fonctionnement du cerveau au cours
du temps, à la milliseconde près. C’est un
Deux techniques d’imagerie médicale font
appel à la supraconductivité : l’imagerie par résonance
magnétique et la magnétoencéphalographie.
déposée par le rayonnement infrarouge ou les
de Yamanashi (Japon). Son développement
complément idéal à l’IRM qui produit des images
particules très peu nombreuses qui arrivent
commercial est limité par le coût des
statiques. Ces SQUID sont aussi utilisés par les
sur terre. Ce sont en quelque sorte des « super
thermomètres » !
rails spéciaux, mais il est à l’étude dans
plusieurs sites.
géologues et les physiciens pour mesurer le
magnétisme des solides, ou du champ terrestre.
INFINIMENT PETIT
Le Large Hadron Collider (LHC), accélérateur de
particules mis récemment en service, n’existerait pas
sans la supraconductivité. Dans cet anneau de 27
kilomètres de diamètre, les physiciens accélèrent des
protons et les font entrer en collision ion afin d’étudier
les composants élémentaires de la matière. Le champ
électrique qui accélère les particules est produit
par des cavités supraconductrices, s, tandis que le
champ magnétique qui les guide et les focalise est
produit par des électro-aimants supraconducteurs.
Le LHC représente actuellement la concentration de
supraconducteurs la plus élevée au monde.
DISTRIBUTION ÉLECTRIQUE
Les centres de production d’électricité sont bien souvent éloignés des lieux de consommation.
Le transport de l’énergie électrique est assuré par des câbles en cuivre, à la capacité limitée
et responsables de pertes par échauffement. Les câbles supraconducteurs permettent
de faire circuler une intensité 1000 fois plus importante que les câbles classiques siques et sans
échauffement. Il faut toutefois prévoir un système de refroidissement à l’azote liquide ce qui
limite pour l’instant leur utilisation, mais ils sont déjà en cours de test. Une autre application
est très prometteuse : des limiteurs de courant supraconducteurs. Lorsque le courant qui les
traverse devient trop important, ces éléments retrouvent un état normal résistant au passage
du courant ce qui permet de protéger les réseaux de distribution des surcharges électriques.
IMAGERIE PAR RESONANCE E MAGNÉTIQUE
L’IRM ou imagerie par résonance magnétique est un
outil complémentaire des radiographies, permettant
d’observer les tissus mous : cerveau, tissus nerveux,
muscles … Les praticiens l’utilisent t quotidiennement
pour diagnostiquer des tumeurs, des scléroses,
ou des œdèmes. Les noyaux des atomes
d’hydrogène, présents dans les molécules d’eau, jouent le rôle de petites boussoles, sensibles à leur
environnement. Pour sonder ces petites boussoles, les IRM nécessitent des champs magnétiques très
intenses, produits par des bobines de fil supraconducteur où l’on fait circuler un courant élevé. Les
recherches actuelles visent à augmenter l’intensité du champ magnétique afin d’obtenir de meilleures
images pour des diagnostics plus ciblés. Les physiciens et chimistes utilisent aussi l’IRM -appelée
RMN- sur des molécules ou des solides.
2008 : Mise en service du Large Hadron Collider (LHC) au CERN. Cet accélérateur de particules
géant utilise des bobines de supraconducteurs pour accélérer et faire tourner les particules.
2003 Record de vitesse pour le train supraconducteur à lévitation japonais. A 581 km/h, c’est
aujourd’hui le train le plus rapide au monde.
2003
& 1973 NOBEL
En 1962, à 22 ans, Brian Josephson
(Angleterre) montre qu’il existe un
courant électrique au comportement
singulier quand on sépare deux
Au début des années 70, Paul Lauterbur
(Etats-Unis, 1929-2007) et Peter Mansfield
(Angleterre, 1933-) imaginent comment
utiliser la RMN pour faire des images du corps
supraconducteurs par un isolant. Il vient
humain. Ils inventent ainsi l’IRM.
d’inventer les SQUID.
A QUOI Ç A SERT ?
Téléphonie et informatique
GÉNÉRIQUE
et remerciements
Exposition conçue et réalisée par :
L’INSTITUT DE PHYSIQUE (INP) DU CNRS
CONSEILLERS SCIENTIFIQUES :
TÉLÉPHONIE
Grâce à l’absence de dissipation d’énergie
Julien Bobroff, laboratoire de physique des solides (CNRS-Université Paris
Sud 11) et INP
Frédéric Bouquet, laboratoire de physique des solides
dans les circuits supraconducteurs,
Jean-Michel Courty, laboratoire Kastler Brossel - CNRS/UPMC/ENS et INP
on réalise des filtres électroniques
extrêmement sélectifs que l’on associe
COMMUNICATION : Catherine Dematteis
aux antennes relais pour la téléphonie
mobile. Ces filtres permettent d’améliorer
la sensibilité des stations relais, et d’en
CONCEPTION GRAPHIQUE : Ame en Science
ILLUSTRATIONS : Jérome Mercier / Ame en Science
IMPRESSION : Objectif numérique
augmenter la portée. Plusieurs milliers
de filtres supraconducteurs sont en action
notamment aux Etats-Unis.
AVEC LA PARTICIPATION DE :
Alain Sacuto et Marie-Aude Measson, Matériaux et phénomènes quantiques MPQ (CNRS/UPD) - Claire
Antoine et Bertrand Hervieu, service des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme SACM (IRFU–
CEA) - Jean-Christophe Ginefri, imagerie par résonance magnétique médicale et multi-modalités
IR4M (CNRS/Université Paris Sud 11) – Sébastien Balibar, laboratoire de physique statistique LPS
(CNRS/ENS) - David Clément, laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’optique LCFIO (CNRS/IOGS/
Université Paris Sud 11) – Pascal Tixador, institut Néel (CNRS) et G2Elab (CNRS/Université Joseph
Fourier/INP) - l’équipe de physique mésoscopique du laboratoire de physique des solides LPS (CNRS/
Université Paris Sud 11) - Claire Kikuchi et Stéfanos Marnieros, centre de spectrométrie nucléaire
et de spectrométrie de masse CSNSM (CNRS/ Université Paris Sud 11) - Philippe Lebrun (CERN) -
Charles Simon, laboratoire de cristallographie et sciences des matériaux CRISMAT (CNRS/ENSICAEN/
université de Caen et INP) - Denis Schwartz, centre de neuro-imagerie de recherche CENIR (UPMC/
INSERM/CNRS) - Kees Van der Beck, laboratoire des solides irradiés LSI (CNRS/Ecole Polytechnique/
CEA) - Jérôme Lesueur, Brigitte Leridon, laboratoire de physique et d’étude des matériaux LPEM
(CNRS/ESPCI/UPMC) - Dorothée Colson, Florence Albenque, Service de physique de l’état condensé
SPEC (CNRS/CEA) - Wolfgang Ketterle (MIT)- Immanuel Bloch (MPI of quantum optics)
CRÉDITS PHOTOS :
Panneau titre : J. Bobroff, F. Bouquet et J. Quilliam, LPS, CNRS et Université Paris Sud 11
Le froid : AIP Emilio Segre Visual Archives
INFORMATIQUE
En empilant des supraconducteurs séparés par des fines couches
La supraconductivité : AIP Emilio Segre Visual Archives
La lévitation : J. Bobroff, F. Bouquet, LPS, CNRS et Université Paris Sud 11, AIP Emilio Segre Visual
Archives
Les matériaux : J. Bobroff, LPS, CNRS et Université Paris Sud 11, J.C.Ricquier, IMN Nantes, Droits
d’isolants, on obtient un composant électronique original inal : la
jonction Josephson. Ces jonctions pourraient être utilisées isées à la place
des transistors dans les microprocesseurs. Les tensions électriques
reservés (fullerènes), C.Dupont / SPEC / CEA
La recherche 1 : C.Dupont / SPEC / CEA, P. Bonnaillie, D. Colson, DSM/IRAMIS/SPEC (CEA)
La recherche 2 : CNRS Photothèque / LPEM / Benoît RAJAU, M.A. Measson, Y. Gallais, MPQ, Université
Paris 7, CNRS Photothèque / INSP / Cyril FRESILLON, J. Bobroff, LPS, CNRS et Université Paris Sud 11
y seraient ainsi remplacées par des flux magnétiques. Autre projet
plus ambitieux encore : on projette d’utiliser ce type de composants
Supra et Compagnie : Peter Taborek, University of California, Irvine, Wolfgang Ketterle Group (MIT),
Groupe Physique Mésoscopique, LPS, CNRS et Université Paris Sud 11
A quoi ça sert, aux deux infinis : ESA, CERN
pour réaliser plus efficacement des calculs informatiques
Electricité et Transport : Central Japan Railway Company, Nexans
complexes. Des ordinateurs d’un genre nouveau se baseraient alors
sur la logique quantique au lieu d’utiliser la logique binaire actuelle,
Soigner : Elekta, D. Schwartz, ICM - NeuroImagerie, CENIR, CNRS Photothèque / Christophe,
LEBEDINSKY, CNRS Photothèque / Emmanuel DURAND / AIP Emilio Segre Visual Archives
Téléphonie et informatique : THALES & IRCOM - ANR SUPRACOM
ce qui les rendrait bien plus rapides.