Supraconductivité
En dessous d'une température critique, certains matériaux conduisent l'électricité avec une résistance exactement nulle et expulsent les champs magnétiques, un état quantique macroscopique expliqué par l'appariement des électrons.
Definition
La supraconductivité est une phase thermodynamique, atteinte en dessous d'une température critique, dans laquelle les électrons se lient en paires de Cooper qui se condensent en un seul état quantique cohérent, produisant une résistance électrique exactement nulle et l'expulsion du flux magnétique connue sous le nom d'effet Meissner.
Scope
Ce domaine couvre la phénoménologie et la théorie microscopique de la supraconductivité : résistance nulle et effet Meissner, les théories phénoménologiques de London et Ginzburg-Landau, la théorie BCS de l'appariement de Cooper, le comportement de type I et de type II avec les vortex de flux, l'effet Josephson, et les supraconducteurs à haute température à base de cuprates et de fer encore inexpliqués. Il traite l'état supraconducteur comme un phénomène quantique macroscopique et le relie au magnétisme, aux phonons et à la forte corrélation électronique.
Sub-topics
Core questions
- Pourquoi un supraconducteur expulse-t-il le champ magnétique (l'effet Meissner) plutôt que de simplement présenter une résistance nulle ?
- Comment le mécanisme BCS permet-il aux électrons, qui se repoussent mutuellement, de se lier en paires de Cooper ?
- Qu'est-ce qui distingue les supraconducteurs de type I des supraconducteurs de type II, et comment les vortex de flux apparaissent-ils ?
- Pourquoi les supraconducteurs à haute température à base de cuprates restent-ils inexpliqués par la théorie BCS conventionnelle ?
Key concepts
- Résistance nulle et effet Meissner
- Paires de Cooper et écart énergétique supraconducteur
- Théories de London et Ginzburg-Landau
- Supraconducteurs de type I, de type II et vortex de flux
- Effet Josephson et cohérence de phase macroscopique
Key theories
- Théorie BCS
- Bardeen, Cooper et Schrieffer ont montré qu'une faible attraction médiatisée par les phonons lie les électrons près de la surface de Fermi en paires de Cooper qui se condensent en un état cohérent avec un écart énergétique, expliquant la résistance nulle, l'effet Meissner et l'effet isotopique.
- Théorie de Ginzburg-Landau
- Une théorie phénoménologique du paramètre d'ordre décrit la transition supraconductrice et les variations spatiales du condensat ; son rapport entre la profondeur de pénétration et la longueur de cohérence classe les supraconducteurs en type I ou type II et prédit le réseau de vortex d'Abrikosov.
Clinical relevance
Les supraconducteurs permettent la transmission d'énergie sans perte, les aimants à champ élevé utilisés dans les scanners IRM et les accélérateurs de particules, ainsi que les magnétomètres SQUID ultrasensibles et les qubits d'informatique quantique basés sur l'effet Josephson ; la supraconductivité à haute température demeure l'un des problèmes ouverts centraux en physique.
History
Kamerlingh Onnes a découvert la supraconductivité dans le mercure en 1911 ; l'effet Meissner (1933) et les phénoménologies de London et Ginzburg-Landau ont précédé la théorie microscopique BCS de 1957, et la découverte en 1986 de la supraconductivité des cuprates par Bednorz et Müller a ouvert le chapitre encore en cours de la supraconductivité à haute température.
Debates
- Mécanisme de la supraconductivité à haute température
- Le mécanisme d'appariement dans les supraconducteurs à base de cuprates et d'autres supraconducteurs non conventionnels n'est pas établi ; la question de savoir s'il est dû à des fluctuations de spin, à d'autres corrélations électroniques ou à un processus assisté par des phonons reste une question active et non résolue.
Key figures
- John Bardeen
- Heike Kamerlingh Onnes
- Vitaly Ginzburg
Related topics
Seminal works
- bardeen1957
- bednorz1986
- tinkham2004
Frequently asked questions
- Un supraconducteur est-il simplement un conducteur parfait ?
- Non. Un conducteur parfait se contenterait de piéger tout champ présent ; un supraconducteur expulse activement le flux magnétique (l'effet Meissner), ce qui le distingue comme une phase thermodynamique distincte plutôt que comme un simple métal sans résistance.
- Comment des électrons qui se repoussent peuvent-ils s'apparier ?
- Dans les supraconducteurs conventionnels, un électron déforme le réseau d'ions positifs, et la concentration de charge positive qui en résulte attire un second électron ; cette attraction médiatisée par les phonons peut surmonter la répulsion coulombienne écrantée et lier une paire de Cooper.