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L’explication

La théorie BCS

Il faudra attendre plus de 40 ans après la découverte de la supraconductivité pour que trois physiciens, Bardeen, Cooper et Schrieffer [Bardeen Cooper Schrieffer], parviennent enfin à trouver la bonne explication de la supraconductivité dans les métaux, en 1957. Ils proposent dans un modèle théorique (appelé depuis « BCS », de leurs initiales) que les électrons se regroupent par paire, et forment ensemble une onde collective de nature quantique. La nature de cette onde collective permet de comprendre toutes les propriétés des supraconducteurs et de prévoir le comportement de leurs grandeurs caractéristiques. Cette théorie BCS a été depuis vérifiée par de nombreuses expériences dans les métaux et les alliages. Par contre, elle ne peut pas s'appliquer directement dans certains nouveaux supraconducteurs comme les cuprates ou les pnictures, et les chercheurs travaillent actuellement pour trouver la nouvelle explication dans ces composés.

A l’échelle microscopique, la physique quantique nous apprend que dans un métal, les électrons (ici en rouge) se comportent comme des ondes périodiques étalées sur plusieurs atomes indépendantes les unes des autres. Dès qu’un défaut se présente, ou que l’un des atomes du réseau cristallin vibre, ces ondes sont perturbées. A très basse température, quand un métal devient supraconducteur, ses électrons s’associent 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 onde tout à fait particulière devient insensible aux défauts du matériau : ils sont trop petits pour freiner l’ensemble de l’onde. La résistance électrique a disparu.
L’idée centrale de la théorie BCS repose sur la nature quantique des électrons. Dans un métal, les électrons sont des ondes. Chacun de ces électrons est relativement indépendant et suit son propre parcours sans trop se soucier des autres électrons. Dans un supraconducteur, une grande partie de ces électrons se rassemble pour former une grande onde collective. En quantique, on parlera de fonction d’onde quantique macroscopique, ou encore de condensat. Une fois formée, cette onde collective impose à chacun de ses participants d’avancer à la même vitesse. Dans un métal, un électron individuel est facilement dévié par un défaut comme un atome trop gros. Mais dans le supraconducteur, ce même électron ne pourra être dévié que si, au même moment, tous les autres électrons de l’onde collective sont déviés de la même manière. Le défaut atomique est bien incapable de faire cela, et l’onde n’est donc plus déviée, donc plus freinée : elle superconduit !

>> Voir la conférence historique: http://www.conferences.uiuc.edu/bcs50/video/

 

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