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Diagramme de phase
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Le diagramme de phase

La carte d'identité des supras

Pour les supraconducteurs de type I, ceux où il n’y a pas de vortex et seulement l’effet Meissner, c’est tout ou rien. Si le champ magnétique à expulser est faible, il est entièrement expulsé. Mais si il est trop important, le système n’arrivera pas à développer les supercourants nécessaires ; la supraconductivité ne pourra alors pas exister, et l’échantillon redeviendra simplement métallique et ne sera plus supraconducteur.

On appelle champ magnétique critique Bc ce champ au-delà duquel le matériau ne peut plus être supraconducteur, même si on le refroidit. On le représente sur ce diagramme de phase

Diagramme de phase d’un supraconducteur de type I

Sous la cloche, l’échantillon est supraconducteur, mais au dessus il ne l’est plus. La valeur de ce champ critique dépend de la température car il est plus facile de briser le supraconducteur à haute température qu’à basse température.

Le diagramme de phase d’un supraconducteur de type II est un peu plus complexe. En dessous de sa température critique, et en l’absence de champ magnétique extérieur, l’échantillon est dans l’état supraconducteur, comme pour ceux de type I. Quand on applique un petit champ magnétique, des courants surfaciques vont se développer pour écranter le champ magnétique et l’empêcher de pénétrer dans le volume de l’échantillon : c’est l’état Meissner. Cet état va pouvoir exister jusqu’à ce que la valeur du champ magnétique appliqué atteigne une première valeur critique (appelé Bc1). Au-delà de cette valeur, le système entre dans l’état mixte, et le premier vortex pénètre dans l’échantillon. L’échantillon a toujours tendance à écranter le champ magnétique extérieur, mais l’écrantage n’est plus total puisqu’une partie du champ magnétique traverse le vortex.

Quand le champ magnétique est encore augmenté, de plus en plus de vortex pénètrent dans le supraconducteur ; ce dernier devient de moins en moins diamagnétique. Quand le champ magnétique extérieur atteint un second champ critique, Bc2, le compromis n’est plus possible et l’échantillon redevient métallique. Ce champ critique correspond à la situation où les vortex deviennent tellement nombreux qu’il ne reste plus de place à la supraconductivité pour exister.

Diagramme de phase d’un supraconducteur de type II

Ce diagramme de phase considère que le piégeage est très faible et que les vortex peuvent facilement pénétrer dans l’échantillon. Cette situation décrit donc l’état le plus énergétiquement favorable pour le système, celui où le meilleur compromis est atteint. Dans le cas où le piégeage est fort, la situation devient compliquée et l’état dans lequel se retrouve le système dépend fortement de la façon dont la température et le champ magnétique ont été imposés à l’échantillon. Ainsi, si on applique d’abord le champ magnétique, et que l’on refroidit l’échantillon ensuite, les vortex se formeront lors du passage à l’état supraconducteur, puis seront piégés. Cette procédure est appelée « Field cooling » (refroidissement sous champ), et c’est cette procédure qui est suivie dans les expériences les plus impressionnantes de lévitation supraconductrice.

En revanche, si on abaisse d’abord la température, puis qu’on augmente ensuite le champ magnétique, le fort piégeage gênera la pénétration des vortex dans le supraconducteur : plus le piégeage sera fort, moins nombreux seront les vortex. Un très fort piégeage permettra à l’échantillon d’expulser quasiment totalement le champ magnétique, de façon similaire à l’état Meissner, bien que le compromis énergétique que représentent les vortex soit normalement un état plus favorable. Cette procédure est appelée « Zero Field Cooling » (refroidissement sans champ).

Les vidéos suivantes illustrent ces effets :

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