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(Heike) Kamerlingh Onnes & la supraconductivité

Physicien hollandais, 1853-1926

 

Kamerlingh Onnes fut à l’origine de deux découvertes majeures : la liquéfaction de l’hélium, et la supraconductivité, qui ouvrirent la voie à des champs de recherches inexplorés jusque là, extrêmement fertiles non seulement en concepts mais aussi en applications.

 

portrait Kamerlingh OnnesElève d’un autre grand physicien, J.D. van der Waals, il devint titulaire de la chaire de physique de l’université de Leyde, en 1882. Il avait alors un objectif, un seul : parvenir à liquéfier du gaz d’hélium. Il développa pour cela le premier laboratoire industriel digne de ce nom. En 1908, Kamerlingh Onnes et son chef mécanicien Flim réussirent finalement à atteindre une température supérieure d’un degré seulement au zéro absolu, limite infranchissable où tout se fige. Pour cela, ils avaient refroidi et comprimé de l’hélium gazeux grâce à de l’hydrogène liquide, puis l’avaient ensuite soudainement détendu, le refroidissant ainsi plus encore, au point qu’il se liquéfie. Ils ouvraient ainsi la voie à un nouveau domaine de recherche, celui des très basses températures. Aussitôt après sa découverte, Kamerlingh Onnes entreprit de refroidir et d’étudier les propriétés de nombreux matériaux. Il se posait en particulier une question simple : que devient le courant électrique d’un métal dont la température se rapproche du zéro absolu ? Les électrons continuent-ils de se déplacer comme à température ordinaire? Ou bien, victimes du froid, préfèrent-ils s’accrocher à leurs atomes, provoquant une augmentation brutale de la résistance électrique ? Fidèle à sa devise "Door meten tot weten", « par l’expérience, la connaissance », Kamerlingh Onnes mesura donc la résistance électrique du mercure refroidi par de l’hélium liquide, avec l’aide de son assistant Gilles Holst. Et il fit alors une des découvertes expérimentales les plus stupéfiantes du XXe siècle : non seulement la résistance n’augmentait pas, mais au contraire, elle chutait très brutalement à zéro ! Kamerlingh Onnes venait de mettre en évidence un nouveau phénomène qui passionne les physiciens depuis : la supraconductivité. Tout aussi surprenant fut l’effet découvert par Meissner en 1933 : lorsqu’on approche un aimant d’un supraconducteur, il est en même temps repoussé et piégé et se met alors à léviter au dessus du supraconducteur, comme si il était retenu par une ancre.

 

Aimant en lévitation. © J. Bobroff

Aimant en lévitation.

 

Il fallut attendre 50 ans, et le travail de Bardeen, Cooper et Schrieffer, pour comprendre ces expériences.

Dans un métal normal, les électrons sont comme de petites vagues qui se propagent entre les atomes. Dès qu’un atome n’est pas à sa position d’équilibre, bien aligné avec ses voisins, l’électron subit un choc, ce qui le ralentit. Les trois physiciens américains savaient que de tels électrons ne pouvaient pas conduire le courant parfaitement, même à quelques degrés du zéro absolu, puisque là encore, les atomes vibraient et ne présentaient pas un ordre parfait et figé. Il fallait donc que les électrons deviennent « autre chose ». Ils proposèrent qu’en dessous d’une certaine température, les électrons perdent subitement leur caractère individuel, et préfèrent s’accoupler pour former un nouvel état collectif, une seule et unique onde, un peu comme si leurs vaguelettes s’assemblaient toutes pour former une grosse vague qui n’est plus gênée par les petits désordres des atomes. Ce modèle permit non seulement de comprendre les expériences passées, mais aussi d’en prédire d’autres.

 

Puis vint le temps des applications.

Puisqu’il n’y a pas de résistance, il n’y a pas de pertes ni d’échauffement dans un supraconducteur, et le courant électrique peut y circuler à l’infini. On construit ainsi des bobines de supraconducteurs, où circulent des courants très intenses qui provoquent l’apparition d’un champ magnétique 100 000 fois plus élevé que le champ terrestre… sans que les fils ne fondent ! Ces bobines sont notamment utilisées dans les appareils d’imagerie médicale (IRM) actuellement dans les hôpitaux, ou comme composants de moteurs plus légers qu’on peut embarquer sur des bateaux. On utilise aussi les supraconducteurs pour améliorer les dispositifs électroniques dans les antennes-relais en téléphonie mobile. On en fait des détecteurs magnétiques ultrasensibles (les SQUIDs), qui permettent par leur petite taille de mesurer d’infimes champs magnétiques à l’échelle du micromètre, ou encore de détecter les zones de l’activité d’un cerveau. Autre application : des trains qui lévitent sur leurs rails ! Un tel train existe au Japon, qui relie l’exposition universelle d’Aichi et l’aéroport. Dans le futur, on espère même construire des ordinateurs « quantiques » avec des supraconducteurs !

 

Dessin des couches d'atomes. © J. Bobroff

Dessin des couches d'atomes.

 

Tout paraissait clair dans ce monde de l’ultra-froid jusqu’à ce que deux chercheurs d’IBM, Bednorz et Müller, découvrent en 1986 qu’une céramique à base de cuivre et d’oxygène présente une supraconductivité jusqu’à 150 K, c’est-à-dire -123 °C, une température dix fois plus élevée que ce que l’on savait faire de mieux. Cette découverte fut un vrai choc pour la communauté des physiciens : il fallait tout réinventer pour comprendre ces nouveaux supraconducteurs « à haute température critique ». Et la supraconductivité à bien plus haute température permettait enfin d’imaginer des applications peu coûteuses et plus accessibles, bien loin de l’hélium liquide cher à Kamerlingh. Ces matériaux, en apparence très simples, des plans carrés d’atomes de cuivre et d’oxygène, se révélèrent bien vite extrêmement complexes. C’est aujourd’hui un sujet de recherche très actif et fécond en concepts et en expériences, mais aussi un des plus délicats. Car encore à l’heure actuelle, aucun modèle n’a pu expliquer l’ensemble des observations réalisées. Et les chercheurs aussi bien du côté fondamental qu’appliqué travaillent tous dans l’espoir d’en percer un jour le mystère, au profit du plus grand nombre !

Mots clés : supraconductivité, supraconducteurs, lévitation, hélium, cryogénie, magnétisme, IRM, imagerie médicale, SQUID.

   
 

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