Qu'est-ce que la supraconductivité?

La supraconductivité est un phénomène fascinant par lequel un matériau perd toute résistance électrique en-deça d'une certaine température appelée température critique et notée $T_c$. Il a été découvert en 1911 par Kammerlingh-Onnes à l'Université de Leyde. Kammerlingh-Onnes était un pionnier de la cryogénie et a été  le premier à avoir liquéfié l'hélium. En abaissant la température du mercure autour de 4K, il observa une chute brutale de la résistance de l'échantillon (données de l'époque):

L'absence de résistance électrique n'est cependant qu'un des aspects de la supraconductivité, et pas le plus fondamental. Une autre propriété remarquable est l'effet Meissner (Meissner et Ochsenfeld, 1935), par lequel un supraconducteur expulse un champ magnétique qui tente de le pénétrer. Cette propriété rend possible la lévitation magnétique: dans l'image ci-dessous, un échantillon supraconducteur refroidi à l'azote liquide est en lévitation sur un aimant.

Il faut ici préciser qu'il y a deux types de supraconducteurs, désignés avec beaucoup d'imagination comme de type I et de type II. Les supraconducteurs de type I expulsent complètement le champ magnétique jusqu'à concurrence d'une valeur critique du champ notée $H_{c1}$; au-delà de cette valeur, la supraconductivité disparaît. Les supraconducteurs de type II font de même, sauf qu'ils permettent une pénétration partielle du champ magnétique au-delà de $H_{c1}$, via des tubes de flux magnétiques appelés vortex. Chaque vortex porte un quantum de flux magnétique défini par l'expression $h/2e$, où $h$ est la constante de Planck et $e$ la charge élémentaire. Quand le champ magnétique augmente au-delà de $H_{c1}$, les vortex forment un réseau de plus en plus serré dans le supraconducteur, jusqu'à une deuxième valeur critique $H_{c2}$ du champ magnétique, au-delà de laquelle les vortex se fusionnent effectivement et la supraconductivité disparaît.

Il a fallu plus de cinquante ans avant qu'une théorie fondamentale explique la supraconductivité: c'est la théorie de Bardeen-Cooper-Schrieffer (ou théorie BCS), publiée en 1957. Ses auteurs furent récompensés par le prix Nobel de physique en 1972. Selon cette théorie, la supraconductivité est causée par la formation de paires d'électrons (les paires de Cooper), en raison d'une force d'attraction effective entre les électrons. Les électrons sont des fermions, mais les paires de Cooper sont des bosons et ces bosons peuvent collectivement condenser dans leur état fondamental. Ce condensat possède une cohérence de phase (au sens de la mécanique quantique) et se comporte en quelque sorte "comme un seul homme" lorsqu'une perturbation externe (champ électrique ou champ magnétique) est appliquée. Ce qui précède mérite cependant d'être qualifié: les paires de Cooper ne sont pas des "molécules électroniques", mais se manifestent plutôt par des corrélations entre électrons qui ont un effet sur des distances plus grandes que l'échelle atomique. 

Quelle est la force mystérieuse qui cause l'appariement des électrons? Dans les supraconducteurs dits "conventionnels", cette force est fournie par l'interaction des électrons avec les vibrations du réseau cristallin (les phonons). Pour employer un langage courant en physique des particules élémentaires, les électrons d'un solide peuvent s'échanger des phonons virtuels, tout comme ils s'échangent des photons virtuels dans le vide. L'échange de phonons virtuels est façon de décrire l'interaction électromagnétique. Les photons ayant un spin 1, on peut montrer que cette interaction est répulsive entre particules de mêmes charges. Par contre, les phonons ont un spin 0, ce qui entraîne que l'interaction correspondante est attractive.