10 • Transitions de phase (I)
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température de l’azote liquide au lieu de celle de l’hélium liquide. Pour les matériaux
supraconducteurs, l’absence de résistivité persiste tant que l’intensité du courant circulant dans celui-ci est inférieure à une valeur I c appelée courant critique. Le phénomène
de supraconductivité est longtemps resté inexpliqué.
En 1957 Bardeen, Cooper et Schrieffer on proposé une théorie, connue sous le nom
de théorie BCS, qui a permis de comprendre l’existence de l’état supraconducteur. Ils
ont obtenu le prix Nobel pour ces travaux. Disons en quelques mots que l’on peut comprendre le phénomène de supraconductivité par la formation de paires d’électrons (dites
paires de Cooper) dont la projection du spin est opposée. Par suite, chaque paire de Cooper est chargée et son spin est nul ; ce sont donc des bosons. La formation de paires de
Cooper s’explique par le couplage des électrons aux modes de vibrations du réseau (les
quantas associés à ces modes sont appelés des phonons). À la température critique et au
dessous, les paires de Cooper, qui sont des bosons, se condensent comme dans le cas de
la superfluidité évoquée plus haut. Ce condensat de Bose est chargé et se propage sans
viscosité dans le milieu. Les forces qui conduisent à la formation de paires de Cooper
sont faibles comparées aux forces de répulsion coulombienne et à celles associées au
mouvement d’agitation thermique. Ceci permet de comprendre pourquoi la température
critique est en général très faible. Néanmoins, la découverte de supraconducteurs à haute
température pose de nouveaux problèmes de compréhension.
Le paramètre d’ordre associé à la transition supraconducteur-conducteur est, comme
pour la superfluidité, le champ complexe c(r) qui donne la probabilité de trouver une
paire de Cooper au point r. En l’absence de champ magnétique appliqué, la transition de
phase de l’état conducteur à l’état supraconducteur est continue. Lorsque l’on applique
un champ magnétique extérieur à un supraconducteur, on observe deux types de comportements. Ceci conduit à classer les matériaux en supraconducteurs de type I ou de
type II. Avant de donner la différence entre ces deux classes, disons que pour tous les
supraconducteurs on observe, bien au dessous de T c , le comportement suivant lorsque le
matériau est immergé dans un champ magnétique (créé par un aimant, par exemple) : les
lignes de champ ne traversent pas le matériau supraconducteur et le champ magnétique
est nul à l’intérieur. C’est ce que l’on appelle l’effet Meissner. Si l’on fait une comparaison avec un matériau comme le fer à la température ordinaire, celui-ci sera attiré par
l’aimant. Pour un supraconducteur, il apparaît un champ magnétique interne qui s’oppose au champ extérieur (le champ magnétique total est nul) et le corps est repoussé par
l’aimant.
Revenons maintenant aux deux classes de supraconducteurs.
Lorsque l’on augmente l’intensité du champ magnétique extérieur pour un supraconducteur de type I, on peut atteindre une valeur B c pour laquelle le champ magnétique total
à l’intérieur du matériau cesse d’être nul : le matériau n’arrive plus à « lutter » contre
le champ magnétique extérieur. Dans ce cas, pour B > B c , le matériau cesse d’être
supraconducteur. La transition de phase dans laquelle on passe de l’état supraconducteur
à l’état conducteur par augmentation de l’intensité du champ magnétique est une transition de phase du premier ordre. Ceci concerne des métaux faiblement conducteurs à la
température ordinaire comme le plomb, l’étain ou l’indium. Les températures critiques
c
Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.
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température de l’azote liquide au lieu de celle de l’hélium liquide. Pour les matériaux
supraconducteurs, l’absence de résistivité persiste tant que l’intensité du courant circulant dans celui-ci est inférieure à une valeur I c appelée courant critique. Le phénomène
de supraconductivité est longtemps resté inexpliqué.
En 1957 Bardeen, Cooper et Schrieffer on proposé une théorie, connue sous le nom
de théorie BCS, qui a permis de comprendre l’existence de l’état supraconducteur. Ils
ont obtenu le prix Nobel pour ces travaux. Disons en quelques mots que l’on peut comprendre le phénomène de supraconductivité par la formation de paires d’électrons (dites
paires de Cooper) dont la projection du spin est opposée. Par suite, chaque paire de Cooper est chargée et son spin est nul ; ce sont donc des bosons. La formation de paires de
Cooper s’explique par le couplage des électrons aux modes de vibrations du réseau (les
quantas associés à ces modes sont appelés des phonons). À la température critique et au
dessous, les paires de Cooper, qui sont des bosons, se condensent comme dans le cas de
la superfluidité évoquée plus haut. Ce condensat de Bose est chargé et se propage sans
viscosité dans le milieu. Les forces qui conduisent à la formation de paires de Cooper
sont faibles comparées aux forces de répulsion coulombienne et à celles associées au
mouvement d’agitation thermique. Ceci permet de comprendre pourquoi la température
critique est en général très faible. Néanmoins, la découverte de supraconducteurs à haute
température pose de nouveaux problèmes de compréhension.
Le paramètre d’ordre associé à la transition supraconducteur-conducteur est, comme
pour la superfluidité, le champ complexe c(r) qui donne la probabilité de trouver une
paire de Cooper au point r. En l’absence de champ magnétique appliqué, la transition de
phase de l’état conducteur à l’état supraconducteur est continue. Lorsque l’on applique
un champ magnétique extérieur à un supraconducteur, on observe deux types de comportements. Ceci conduit à classer les matériaux en supraconducteurs de type I ou de
type II. Avant de donner la différence entre ces deux classes, disons que pour tous les
supraconducteurs on observe, bien au dessous de T c , le comportement suivant lorsque le
matériau est immergé dans un champ magnétique (créé par un aimant, par exemple) : les
lignes de champ ne traversent pas le matériau supraconducteur et le champ magnétique
est nul à l’intérieur. C’est ce que l’on appelle l’effet Meissner. Si l’on fait une comparaison avec un matériau comme le fer à la température ordinaire, celui-ci sera attiré par
l’aimant. Pour un supraconducteur, il apparaît un champ magnétique interne qui s’oppose au champ extérieur (le champ magnétique total est nul) et le corps est repoussé par
l’aimant.
Revenons maintenant aux deux classes de supraconducteurs.
Lorsque l’on augmente l’intensité du champ magnétique extérieur pour un supraconducteur de type I, on peut atteindre une valeur B c pour laquelle le champ magnétique total
à l’intérieur du matériau cesse d’être nul : le matériau n’arrive plus à « lutter » contre
le champ magnétique extérieur. Dans ce cas, pour B > B c , le matériau cesse d’être
supraconducteur. La transition de phase dans laquelle on passe de l’état supraconducteur
à l’état conducteur par augmentation de l’intensité du champ magnétique est une transition de phase du premier ordre. Ceci concerne des métaux faiblement conducteurs à la
température ordinaire comme le plomb, l’étain ou l’indium. Les températures critiques
c
Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.