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De la supraconduction à la spintronique
PHYSIQUE DES ONDES
ESSAI D'UNE NOUVELLE PHYSIQUE
RUBRIQUE N° 22 Physique de la matière condensée
De la supraconduction à la spintronique
Par Paul Bouchard Le 01/05/2018
1 ) INTRODUCTION L’ÉLECTRON EST UNE ONDE
Le contenu de cette rubrique se révélera illisible pour celui qui rejette d'emblée les hypothèses exprimées ci-dessous. Celle-ci sont à la base de mon blog : http://paulpb.eklablog.fr/ Il comporte 6 chapitres, 4 post-scriptum et 21 rubriques. Vous le trouvez sur Google : ''Paul Bouchard physique des ondes''. Dans l’intérêt d'une bonne lecture de la présente rubrique N°22, je vous recommande donc de rejoindre les 18.000 visiteurs (actuellement 20 par jour) qui ont déjà consulté ce blog
* L'électron, seule particule élémentaire, est la véritable onde électromagnétique, ce que n'est pas la lumière.
* L'électron est une onde énergétique de type lumière, longitudinale, mais ''structurée'' par un mouvement transversal de rotation. En mouvement c'est un vortex, en station cette particule devient un disque en rotation.
* Cette particule est polarisée suivant le sens de sa rotation (électron et positron).
* Les ondes de type lumière sont faites de ''substance de l'espace'' et circulent dedans.
* L'énergie d'un électron est proportionnelle à sa charge élémentaire (e). Celle-ci est en rapport direct avec le quantum de mouvement élémentaire et la constante (h) déterminée par Planck.
* La ''masse'' est une notion abstraite que l'on peut assimiler à un nombre d'électrons de masse élémentaire (m).
* La quantification de l'énergie ainsi que la vitesse de la lumière (c) sont des propriétés de la substance de l'espace. Toutes les propriétés de la matière qui sont concernées par l'énergie se trouvent donc avoir des rapports directs (par des constantes) avec le quantum élémentaire de mouvement.
* Le ''spin'' de l'électron est une réalité. La fréquence (radio THF) du mouvement de rotation de son onde de structure est en relation avec la fréquence de son onde énergétique. C'est la même onde qui tourne. Tous les mouvements sont quantiques.
* Les nucléons des noyaux atomiques sont constituée de ''brochettes'' d'électrons et de positons en mouvement relationnel de proximité (force forte).
L'ensemble de ces hypothèses sont émises par un ingénieur ECL de formation ancienne. J'ai 88 ans et je suis ''tombé'' en quantique lors de ma retraite il y a seulement 10 ans. Ces hypothèses qui supposent que la matière est faite d'ondes ne peuvent actuellement être retenues par les spécialistes de la matière condensée car il serait mal venu pour eux de paraître s'écarter de la conception et des méthodes de la physique des particules, bien qu'ils travaillent en fait sur des ''ondes quantiques''.
N'ayant reçu aucun commentaire ni critique sur mon blog, j'ignore quels sont ses visiteurs. Cela ne m’empêche pas d'avancer dans la connaissance des plus récentes recherches et de me rendre compte que la physique des ondes apporte les explications les plus simples aux phénomènes qui émergent à l'échelle du nanomètre. Dans ce domaine la physique des particules semble s'embourber de plus en plus, sans espoir d'émerger autrement que par la dogmatique. Les rubriques du blog sont axées sur les domaines scientifiques les plus actuels. Ce sont ceux qui se trouvent à l'échelle mésoscopique, c'est-à-dire entre le macroscopique et le quantique.
<< La physique mésoscopique est un domaine de la physique de la matière condensée qui étudie les systèmes ayant des dimensions intermédiaires entre celles de la physique quantique et de la physique classique. L'échelle des distances en cause s'étend des dimensions de l'atome jusqu'au micromètre. >> (Wikipédia)
C'est bien à cette échelle intermédiaire que la physique des particules rencontre des difficultés de conception car il existe un fossé conceptuel entre ces deux domaines. La physique des particules permet de traiter les problèmes en mécanique, électricité, chimie, physique des solides, des liquides, et des gaz, grâce aux mathématiques et à l'application des lois de ces domaines macroscopiques. Mais le domaine quantique a ses propres règles qui sont en fait à la base de toute la physique. Ce sont celles des ondes (mécanique ondulatoire initiée par L. de Broglie). La physique des particules a pu approcher ces règles pour les éléments simples (hydrogène et quelques autres) où deux particules (ou deux corps) seulement interviennent.
Ces études deviennent inextricables dans les cas où sont mêlés de nombreux électrons ou corpuscules. Il faut alors faire appel, par analogie, aux lois existant dans les liquides ou les gaz dans lesquels les corpuscules sont mobiles. Pour décrire l'interaction des particules élémentaires, il a fallu développer une autre théorie portant le nom de ''théorie quantique des champs''. A force de simplifications et d'élimination des difficultés on arrive à les contourner, si bien qu'en final on se retrouve avec des ''pseudo-particules'' et même des particules virtuelles que l'on fait apparaître ou disparaître quand c'est nécessaire. Toutes ces approximations permettent cependant de cerner les phénomènes par l’expérimentation , même si la théorie a du mal à suivre.
La science avance grâce à la perspicacité des scientifiques mais surtout à cause de l'unicité des lois de la nature à toutes les échelles. La matière s'est construite à partir de la brique élémentaire (l'électron) et les propriétés de celle-ci conditionnent et expliquent toutes les structures successives émanant aux différentes échelles.
Les scientifiques peuvent également aborder la physique autrement, grâce aux possibilités d'abstraction du cerveau humain qui, lui aussi, est construit suivant des lois naturelles dont font partie les mathématiques et spécialement les lois de la statistique. Celles-ci ont été utilisées pour effectuer des études précisément dans le domaine qui nous intéresse présentement, celui de la physique de la matière condensée. Il est très regrettable que ces études mathématiques n'aient pas été réalisées dans l'optique de la physique des ondes (en considérant l'électron comme une onde).
Ce domaine comporte des phénomènes particuliers dont l'explication par la physique des particules est difficile, alors que leur compréhension découle plus facilement de la physique des ondes. Nous consacrons cette rubrique, et probablement les suivantes, à l'étude de plusieurs de ces phénomènes complexes. Commençons par un rapide historique de la physique du solide et de son évolution.
2) HISTORIQUE DE LA PHYSIQUE DE L’ÉTAT SOLIDE (extraits de Wikipédia)
<< Les connaissances empiriques sur les solides et leurs propriétés sont très anciennes et jalonnent l'histoire de l'humanité. L'apparition de la métallurgie, environ 4 000 ans av. J.-C., marque les premières réussites dans le travail des métaux : l'homme apprend ainsi à travailler le cuivre, le bronze, le fer, puis une liste de plus en plus étendue de métaux et d'alliages. Cependant, les connaissances acquises sont très empiriques, transmises de maître à compagnon, et ne sont pas reliées sur une science commune. Le premier, Agricola (1494-1555) applique les méthodes scientifiques de la Renaissance et présente une synthèse des techniques de son époque dans son ouvrage ''De Re Metallica'', paru en 1556. >>
La cristallographie est un domaine très ancien d'étude par les gemmologues, qui avaient la connaissance expérimentale des nombreuses formes internes des pierres dites précieuses, à cause de leur beauté dans la lumière. Cette expérience est indispensable pour réussir leur taille qui en accentue la beauté. C'est l'abbé René Just Haüy (1743-1822), en relation avec les scientifiques de l'époque, qui a déterminé le caractère périodique, symétrique et ordonné à l'échelle moléculaire, de l'état cristallin. Il est, avec Jean-Baptiste Romé de L'Isle, le fondateur de la cristallographie géométrique, conçue scientifiquement. (Voir notre blog,rubrique N°1 chapitre N°6 ''Les ondes de structure de la matière''). Les propriétés particulières des cristaux ont aidé à comprendre la structure générale des matériaux.
Le 19ème siècle voit l'apparition de tous les grand domaines scientifiques qui, au départ, sont traités indépendamment les uns des autres. Il en est de même à l’intérieur de la physique entre l'électromagnétisme, l'optique, la thermodynamique, la métallurgie, la physique des solides, celle des liquides et celle des gaz. Les études effectuées dans ces différents domaines ont permis d'attribuer à la matière des propriétés macroscopiques mesurables. Bien que ces grandeurs macroscopiques permettent une description phénoménologique satisfaisante des solides, elles ne permettent pas de comprendre leur origine profonde.
Les progrès scientifiques réalisés au tournant du 19 ème au 20 ème siècle ont été encore plus considérables. La découverte des rayons X en 1895 a conduit à réaliser la première expérience de diffraction de ces rayons sur un cristal en 1912. Cette technique va permettre de déterminer la structure cristalline et les distances interatomiques dans les solides.
A partir de leurs travaux en physique statistique, en mécanique des fluides et en cinétique des gaz, Ludwig Boltzmann (1844 -1906) et Paul Drude (1863-1906) ont permis le développement d'un modèle devenu classique en physique statistique, permettant d'étudier la conduction des métaux en supposant ceux-ci remplis d'un gaz d'électrons libres. Au cours du 20 ème siècle, les découvertes, les outils et modèles nouveaux se succèdent à un rythme accéléré, comme l'étude des propriétés des solides aux basses températures, l'introduction de la mécanique quantique, l'apparition du microscope électronique, etc.
A partir des années 1940 l'étude des matériaux solides a été regroupée en tant que physique de l'état solide. Vers les années 1960, l'étude des propriétés physiques des liquides, des matières molles, mousses, gels, verres, polymères, a été ajoutée à cette liste, formant la base de la nouvelle spécialité scientifique connexe qui est la physique de la matière condensée.
Ce regroupement qui correspond à un extension du domaine de recherche, a conduit à constater dans les années 1960, que nombre de théories et de concepts développés pour l'étude des fluides pouvaient tout aussi bien s'appliquer à l'étude des solides. La physique quantique a montré que les propriétés du fluide quantique constitué par les électrons de conduction d'un métal, ont une forte ressemblance avec celles d'un fluide d'atomes. La superfluidité de l'hélium 3 à basse température en est un exemple.
Je cite Wikipédia :
<< La délimitation est d'autre part de plus en plus floue entre la physique du solide et la science des matériaux. À l'origine, la physique du solide était une branche de la physique fondamentale, et la science des matériaux une branche de la physique appliquée. Il y a longtemps que cette distinction est caduque, sous l'effet d'une double évolution. La première évolution est celle de la physique du solide vers l'étude de systèmes de plus en plus complexes, et donc de plus en plus proches des systèmes réels et utiles. L'autre évolution est celle de la science des matériaux, qui, avec l'apparition de moyens fins d'investigation (comme le microscope électronique) permet une observation à l'échelle atomique. >>
<< De même la technique de l'épitaxie est utilisée pour faire croître des couches minces de quelques nanomètres d'épaisseur. On peut ainsi élaborer des semi-conducteurs couche d'atomes par couche d'atomes. La physique du solide est ainsi devenue une ingénierie des matériaux à l'échelle atomique. Elle s'est donc intéressée de très près aux phénomènes à cette échelle, et a ainsi empiété largement sur le domaine de la physique fondamentale. Au total, la distinction entre toutes ces disciplines relève maintenant plus d'une nuance d'approche que d'autre chose. >>
Avant d'étudier quelques-uns des phénomènes quantiques propres à cette physique de la matière condensée, il est nécessaire de définir quelques termes en usage dans cette science et de montrer l'importance des propriétés physiques, énergétiques et structurelles, qui sont concernés par elle.
3) DÉFINITIONS (extraits divers de Wikipédia)
* La physique de la matière condensée est une branche de la physique qui traite des propriétés physiques des phases condensées de la matière. Le terme phase est parfois utilisé comme synonyme d' état de la matière.
* Une phase représente une région d'un matériau chimiquement uniforme, physiquement distincte et (souvent) mécaniquement séparable. Par exemple dans un système constitué de glace et d'eau dans un bocal en verre, les glaçons sont une phase, l'eau est une deuxième phase et l'air humide est une troisième phase sur la glace et l'eau. Le verre du pot est une autre phase séparée.
* Les phases condensées les plus familières sont les solides et les liquides tandis que les phases condensées plus exotiques comprennent la phase supraconductrice de certains matériaux à basse température, ainsi que le condensat de Bose-Einstein dans les systèmes atomiques ultra-froids.
* Il peut y avoir plusieurs phases miscibles du même état de la matière. En outre, le terme phase est parfois utilisé pour désigner un ensemble d'états d'équilibre (dits variables d'état) tels que la pression et la température.
* Les limites de phase se rapportent à des changements dans l'organisation de la matière, comme un changement de liquide à solide ou un changement d'une structure cristalline à une autre.
* L'étude de la physique de la matière condensée consiste à mesurer diverses propriétés matérielles au moyen de sondes expérimentales et à utiliser des méthodes de physique théorique pour élaborer des modèles mathématiques qui aident à comprendre le comportement et les propriétés physiques des matériaux.
* Une propriété physique est une propriété mesurable dont la valeur décrit l'état d'un système physique. Les changements dans les propriétés physiques d'un système peuvent être utilisés pour décrire ses transformations ou évolutions entre ses états momentanés. Les propriétés physiques sont souvent appelées observables, leur mesure est appelée quantité physique .
Les propriétés physiques de la matière condensée et leurs mesures s'étendent dans de nombreux domaines, par exemple :
Propriétés thermiques Propriétés atomiques
Propriétés chimiques Propriétés environnementales
Propriétés magnétiques Propriétés de fabrication
Propriétés électriques Propriétés mécaniques
Propriétés optiques Propriétés thermodynamiques
Propriétés acoustiques Propriétés radiologiques
4) UNE PROPRIÉTÉ ÉLECTROMAGNÉTIQUE DE LA MATIÈRE CONDENSÉ
LE PHÉNOMÈNE DE LA SUPRACONDUCTION GÉNÉRALITÉ
Depuis un siècle, le développement de la physique quantique et les progrès dans la connaissance interne de l'atome ont ébranlé la physique théorique qui a du mal à s'en remettre. Dans le même temps, les avancées technologiques, les applications pratiques, la précision des instruments, n'ont cessé de progresser au point d'avoir, en un siècle, complètement modifié la vie en société et l'homme lui-même. Les outils qui permettent maintenant de manipuler les atomes et même les électrons, font apparaître des phénomènes nouveaux obligeant à repenser les propriétés physiques (les observables) que l'on croyait bien établies.
Les appareils de mesure des ''quantités physiques'' ont également considérablement progressé, tant dans la précision que dans la possibilité de ''voir'' et de mesurer l'infiniment petit. Cela est indispensable pour espérer déterminer l'énergie des ondes de structure (gravitationnelles par exemple) qui est faible (hors de celle intérieure au noyau atomique) en comparaison de celle des ondes électromagnétiques.
Dans notre présente étude des phénomènes énergétiques, nous laissons de côté l'énergie dite atomique, relative à la fusion et à la fission des nucléons de l'atome, cette énergie (force forte) provient d'une modification de la structure du noyau atomique. Nous avons abordé cette question plusieurs fois, notamment dans la rubrique N°21 en parlant de la gestion de l'énergie dans notre écosystème. Le noyau de l'atome intervient cependant dans le phénomène de supraconduction comme nous allons le montrer plus loin (effet Meissner), à cause de la réaction de son champ magnétique qui déclenche celle des électrons et donc le phénomène de supraconduction.
Les phénomènes électromagnétiques qui nous intéressent présentement concernent le mouvement des électrons dans et hors de l'atome. Nous étudions ci-dessous certains phénomènes quantiques énergétiques dont la découverte a troublé les scientifiques tenant des particules, car la physique statistique qu'ils utilisent ''s'embrouille'' dans ses explications, alors que l'origine des faits est à rechercher dans les propriétés des ''électrons-ondes''.
41) Les phénomènes électromagnétiques dans les solides vus par la physique statistique
Le développement considérable des besoins de l'électronique en matériaux composites semi-conducteurs et en micro-dispositifs de régulation des flux d'électrons a beaucoup fait progresser la recherche expérimentale dans ce domaine. Mais sur le plan théorique, pour expliquer les phénomènes quantiques qui apparaissent, la physique des particules utilise les mathématiques statistiques ainsi que les théories macroscopiques à sa disposition : physique des gaz ou des liquides, là où il existe des corpuscules en mouvement. Il est alors question de ''gaz d'électrons'', de mouvements browniens et d'ondulation des atomes.
Pour les solides dans lesquels les atomes ne semblent pas bouger, les théoriciens sont bien embarrassés pour expliquer les phénomènes de type ondulatoires qui apparaissent. C'est alors qu'ils sont obligés d'imaginer des pseudo-particules plus ou moins virtuelles, des phonons par exemple qui pourraient se comporter dans la matière comme le font dans l'espace les photons qui sont considérés à la fois comme des particules et comme des ondes. Je vais essayer de décrire ci-dessous les ''quasi-particules'' de cette théorie en utilisant les textes de Wikipédia suivant :
<< En physique, les quasi-particules et les excitations collectives (qui sont étroitement apparentées) sont des phénomènes émergents qui se produisent lorsqu'un système microscopiquement compliqué, tel qu'un solide, se comporte comme s'il contenait différentes particules interagissant faiblement dans l'espace libre. Par exemple, lorsqu'un électron se déplace à travers un semi-conducteur, son mouvement est perturbé de façon complexe par ses interactions avec tous les autres électrons et noyaux. Cependant, il se comporte à peu près comme un électron avec une masse différente ( masse effective ) voyageant sans perturbation à travers l'espace libre . Cet "électron" de masse différente est appelé "quasi-particule d'électrons". Dans un autre exemple, le mouvement global des électrons dans la bande de valence d'un semi-conducteur ou dans une bande de trous dans un métal, est le même que si le matériau contenait des quasi-particules. (Un trou est une quasi-particule chargée positivement). D'autres quasi-particules ou excitations collectives comprennent des phonons (particules dérivées des vibrations d'atomes dans un solide), des plasmons (particules dérivées d' oscillations de plasma ) et bien d'autres. >>
<< Ces particules sont typiquement appelées "quasi-particules" si elles sont apparentées aux fermions, et appelées "excitations collectives" si elles sont apparentées aux bosons, bien que la distinction précise ne soit pas universellement acceptée. Ainsi, les électrons et les trous sont typiquement appelés "quasi-particules", alors que les phonons et les plasmons sont typiquement appelés "excitations collectives". Le concept de quasi-particule est le plus important dans la physique de la matière condensée puisqu'il est l'un des rares moyens connus pour simplifier le problème quantique à plusieurs corps. Le mouvement dans un solide est extrêmement compliqué: chaque électron et chaque proton est poussé et tiré (en appliquant la loi de Coulomb ) par les autres électrons et protons du solide (qui peuvent eux-mêmes être en mouvement). >>
<< Ce sont ces interactions fortes qui rendent très difficile la prédiction et la compréhension du comportement des solides (voir le problème des corps multiples ). D'un autre côté, le mouvement d'une particule non-interactive est assez simple. En mécanique classique, elle se déplacerait en ligne droite, et en mécanique quantique, elle se déplacerait dans une superposition d'ondes planes. Ceci motive le concept de quasi-particules. Le mouvement complexe des particules réelles dans un solide peut être transformé mathématiquement en un mouvement beaucoup plus simple de quasi- particules imaginaires, qui se comportent davantage comme des particules non-interactives. >>
<< En résumé, les quasi-particules sont un outil mathématique pour simplifier la description des solides. Ce ne sont pas de "vraies" particules à l'intérieur du solide. Dire "Une quasi-particule est présente ou une quasi-particule est en mouvement" est un raccourci pour dire "Un grand nombre d'électrons et de noyaux se déplacent d'une manière spécifiquement coordonnée". >>
42) Les phénomènes électromagnétiques dans les solides vus par la physique des ondes
Les textes précédents montrent parfaitement toutes les difficultés d'une théorie qui ne veut voir que des particules là ou il n'y a que des ondes. L'électron est une onde double énergétique et magnétique. C'est la même onde qui tourne. En mouvement, l'électron (-) tourne (spin out) en sens horaire. Au repos c'est un disque avec une polarisation (orientation) négative faible, ce qui explique qu'au niveau fondamental, l'électron ne ''tombe'' pas sur son proton. Tournant dans le même sens, les électrons se repoussent normalement entre eux (principe d'exclusion de Pauli). Mais la physique des ondes offre aux électrons la possibilité de se joindre tête-bêche (état triplet), comme des paires de Cooper ou aussi de ''s'enfiler'' les uns à la suite des autres pour devenir ces dites ''quasi-particules d'électrons'' qui ont des masses supérieures à l'électron tout en ayant les mêmes particularités. Les phénomènes quantiques ne sont ni ''imaginaires'' ni virtuels ni inexplicables. La physique des ondes déclare ''réel'' le spin de l'électron, et son état de dipôle magnétique.
Cette physique des ondes comprend l'existence réelle, mais aléatoire et temporaire, de groupes d'électrons formant diverses particules telles que les muons et autres fermions lourds dont nous parlerons ci-dessous en étudiant la supraconductivité.
D'une part toutes les propriétés physiques des éléments chimiques qui composent la matière sont dépendantes de l'organisation interne des atomes de chaque élément. D'autre part l'électron, particule élémentaire de base qui marie l'énergie polarisée et la capacité de structuration, explique tous les phénomènes physiques qui apparaissent à toutes les échelles de l'univers. Le lien de l'électron avec le quantum d'énergie est prouvé. La physique dite quantique et la particule élémentaire appelée électron se trouvent bien à la base de l'édifice de la matière.
La mécanique, l'électricité, la chimie, la mathématique, avec leurs lois, leurs procédés, leurs équations procèdent d'une conception macroscopique de notre univers humain. Grâce au génie des scientifiques, tous les progrès scientifiques ont bien été réalisés en développant notamment les concepts macroscopiques de la mécanique et de la statistique mathématique et en les extrapolant, avec difficulté, à l'étude des phénomènes quantiques. Mais maintenant que des développements techniques spectaculaires ont été réalisés sur les outils et instruments permettant d'atteindre le domaine mésoscopiques, il est temps pour avancer, d'adopter les vrais concepts de la physique quantique qui est une physique des ondes de l'électron.
Laissons aux électrons leur rôle principal qui est de recevoir, transmettre et conduire l'énergie, de le faire en fonction de leur place dans l'atome, c'est-à-dire de la fréquence qui leur est assignée (de l'infrarouge près du niveau fondamental jusqu'aux rayons X des électrons libres). Nous allons ci-dessous approfondir le rôle particulier de l'électron dans le cas très spécial de la supraconduction.
Pour sa part, le noyau de l'atome ( qui est fait de brochettes d'électrons et de positrons) domine dans le rôle de structuration physique des matériaux. Son influence est également prépondérante dans les phénomènes d'attraction et de répulsion magnétiques. Dans ce dernier domaine, le noyau possède la clef de l'énergie dite atomique qui n'est autre que celle de la déstructuration ou de la restructuration des électrons des brochettes de ces nucléons par leur fission ou leur fusion. Mais le noyau joue également un rôle important dans la supraconduction comme nous allons le montrer.
43) L'échelle quantique. Conducteurs et isolants vus par la physique des ondes
Nous avons abordé le domaine de la supraconduction dans la rubrique N°3 de ce blog à partir des propriétés magnétiques des matériaux et de celles de leur refroidissement à très basse température. Dans les rubriques N°10 et N°11, nous avons étudié l'énergie et la structure des électrons en relation avec la chaleur dans l'atome ainsi que les propriétés structurelles de l'atome froid.
Dans la présente rubrique nous revenons plus particulièrement sur les propriétés quantiques des électrons dans les solides ( dans ce chapitre, sur les propriétés énergétiques) lorsque leurs atomes sont soumis à des champs magnétiques et à des températures très basses. Ce problème est généralement traité en utilisant la théorie quantique des champs et la physique statistique. Nous laissons totalement de côté ces concepts en choisissant ceux de la physique des ondes et en privilégiant l'étude des travaux des physiciens expérimentateurs.
Chaque élément chimique possède une configuration électronique différente en nombre et en charge (en niveau d'énergie) de ses électrons. Ceux-ci assurent les relations extérieures de leur atome par absorption ou rejet de rayonnements énergétiques, (d'ondes de type lumière). La physique des ondes nous a appris que les mouvements d'électrons se font par mise en accord de fréquence entre le rayonnement extérieur et les électrons de l'atome.
Un électron ainsi excité passera, par mise en résonance, à un niveau d'énergie supérieur en absorbant un nombre entier de quanta d'énergie correspondant exactement à la différence de niveau d'énergie qu'il a franchi. Un électron arrivé au plus haut niveau d'énergie de l'atome (couche dite de valence) pourra, s'il se trouve en accord de fréquence, être absorbé par un autre atome qui en a besoin pour compléter sa configuration. Parvenu sur la couche de conduction, Il pourra également être entraîné par un flux de courant d'électrons circulant dans un métal conducteur. Il devient ainsi un ''électron libre''.
Pour un matériau donné, c'est la composition électronique de la couche de valence de ses atomes, ainsi que la dimension du fossé (gap) existant entre cette couche et celle de conduction qui détermine sa capacité à posséder des électrons capables de se libérer. Suivant ces dites propriétés il sera donc conducteur ou plus ou moins isolant. Dans le cas d'un vrai isolant la théorie habituelle en cours parle de ''bande interdite'', c'est à dire de fossé infranchissable.
La physique des ondes comprend cela en disant que la dimension du fossé n'est pas ''quantique''. C'est à dire que sa largeur ne correspond pas à un nombre exact de quanta. L'accord ne peut donc pas s'établir entre un électron de la couche de valence de l'atome isolant et le rayonnement incident dont l'énergie pourrait permettre à l'électron, par mise en résonance, de passer sur la bande de conduction. Une échelle quantique qui servirait de pont, ne peut accrocher ses deux extrémités à chacune des deux bandes, et donc faire passer l'électron de l'une à l'autre. Le réglage est d'autant plus fin que, pour faire sortir un électron de son atome, il faut un rayonnement incident de fréquence élevée, or on sait (en radio par exemple) que pour les très petites longueurs d'onde l'accord des fréquences est délicat.
44) Définition et historique de la supraconductivité
Reprenons ci-dessous certains éléments de texte de nos précédentes rubriques :
La supraconductivité est un phénomène qui se produit, à l’intérieur de certains matériaux, à une très basse température proche du zéro absolu ( -273,15 °C). Il se caractérise alors, pour ces matériaux, par l’absence de toute résistance électrique (supraconduction) et par une propriété magnétique dite ''effet Meissner''.
Si on applique un champ extérieur (noté H) à un matériau, celui-ci va réagir ''de manière susceptible'' en créant son propre champ magnétique, noté M. L’important est que cette réaction est proportionnelle au champ extérieur appliqué, ainsi M = XH. Le coefficient de proportionnalité X est appelée la susceptibilité magnétique du matériau.
Dans le cas où X est négatif et faible le matériau est dit diamagnétique. Le champ induit est opposé au champ extérieur, et donc la force magnétique est répulsive. Ils tendent à repousser le champ magnétique extérieur dans l'influence duquel ils peuvent se trouver. Mais en pratique, l’effet est tellement faible que la répulsion ne se voit pas.
La plupart des substances et éléments chimiques sont diamagnétiques, donc à susceptibilité négative. C'est le cas en particulier de tous les composés organiques, bois, plastiques, tissus organiques. L'eau, les acides, les alcalino-terreux, les trois quarts des éléments chimiques sont diamagnétiques. Certains métaux comme le plomb, le cuivre, le zinc, l'or, l'argent le sont aussi. Ces métaux s'aimantent faiblement dans le sens opposé au champ magnétisant. Leur aimantation cesse dès que ce champ est supprimé.
Un rapide historique est nécessaire pour comprendre les problèmes posés par la découverte de la supraconduction. Pour ce faire je cite des extraits du site suivant de la ''Technique de l'ingénieur'' :
<< H. Kamerlingh Onnes qui avait réussi à liquéfier l’hélium en 1908 et à le maintenir en dessous de sa température de liquéfaction (4,2 Kelvins) voulait étudier la variation de la résistivité des métaux en dessous de 20 K. Le mercure étant un des métaux les plus faciles à purifier, c’est en étudiant sa résistivité à très basse température qu’il découvrit en 1911 avec G. Holtz que ce métal passe dans un état où il n’offre plus aucune résistance au passage du courant électrique au-dessous d’une température de 4,15 K, appelée température critique (Tc). >>
En 1933, W. Meissner observe que si les matériaux diamagnétiques ont généralement une faible réaction d'expulsion (susceptibilité), lorsqu'ils sont soumis à un champ magnétique extérieur, certains matériaux diamagnétiques amenés à une très basse température acquièrent brusquement une susceptibilité magnétique très élevée et deviennent des supraconducteurs. On les appelle des matériaux diamagnétiques parfaits. C'est l'effet Meissner qui amène certaints corps à ''léviter''. Lors de notre précédente étude nous avons remarqué que la propriété interne aux atomes de ces matériaux diamagnétiques parfaits est que leurs électrons sont placés sur des couches et des sous-couches électroniques ''pleines'' dans l'état fondamental (état de plus basse énergie des électrons).
<< La théorie microscopique de la supraconductivité ou théorie BCS fut proposée en 1957 par J. Bardeen, L. Cooper et JR. Schrieffer. Dans ce modèle, les électrons se couplent pour former des paires (paires de Cooper) de spin total nul. A la même époque, A. Abrikosov définit deux types de supraconducteurs par rapport à leur comportement sous champ magnétique : les supraconducteurs de type I qui expulsent totalement le champ, les supraconducteurs de type II qui expulsent totalement les faibles champs mais qui sont partiellement pénétrés par un champ intermédiaire conduisant à la formation d’un état mixte où ils demeurent supraconducteurs et cela jusqu’à des champs pouvant atteindre 10 Tesla. Les supraconducteurs de type II furent alors étudiés intensivement car ils ouvraient des possibilités remarquables pour les applications en étant capables de supporter des densités de courant et/ou des champs magnétiques très élevés. >> Wikipédia
<< En 1962, B.D. Josephson prédit l’existence d’un effet tunnel aux propriétés très particulières se produisant lorsque un super-courant traverse une barrière isolante ultra-mince ( ≈ 1 nm) séparant deux matériaux supraconducteurs. Ce phénomène qui fut vérifié expérimentalement l’année suivante, est connu sous le nom d’effet Josephson, il est la base des applications électroniques des supraconducteurs conventionnels. En 1986 J. G. Bednorz et K. A. Müller ont découvert la supraconduction à 30 K des cuprates (voir plus loin). Enfin, en 1991, il a été observé que des molécules polyatomiques de carbone dopées par un métal alcalin, (K3 C60 et Rb3 C60) étaient supraconductrices à des températures critiques respectivement de 18 et 30 Kelvins. >>Wikipédia
45) État actuel des recherches expérimentales et théoriques sur la supraconduction
Les recherches sur la supraconductivité se sont poursuivies d'une part pour trouver des matériaux supraconducteurs à température de plus en plus haute, d'autre part pour établir une théorie qui rende compte des faits révélés par l’expérimentation. Les supraconducteurs de type II ont fait l'objet de très nombreuses études du fait que leur température critique se rapproche de la température ambiante. Ce sont les métaux et métalloïdes des ''éléments de transition'' (voir tableau ci-dessous) dont les combinaisons permettent d'obtenir les meilleurs résultats.
Par exemple ont été découverts en 2016 :
Tl2 Ba2 Te Cu3 O8 (thallium,baryum,tellure,oxyde de cuivre) est un cuprate supraconducteur obtenu à pression ambiante à la (Tc) de 147 Kelvins ( -126,15° Celsius) Cd Nb Ba9 Cu10 O20+ (cadmium niobium baryum oxyde de cuivre) est un composé organique qui devient supraconducteur à la (Tc) de 337 K (-63,85°C) (à la pression de ?). Une des plus hautes (Tc) atteinte à la pression standard, est de 135° K (-138° C), par un composé (Hg Ba2 Ca2 Cu3 O8 ) qui appartient à un groupe de supraconducteurs connu sous le nom de pérovskites cuprate. Ce groupe de supraconducteurs a généralement un rapport de 2 atomes de cuivre à 3 atomes d'oxygène et est considéré comme une céramique.
<< Un élément de transition est un élément chimique dont les atomes ont une sous-couche électronique (d) incomplète. Cette définition correspond à des éléments partageant un ensemble de propriétés communes. Comme tous les métaux, ce sont de bons conducteurs de l'électricité. Ils sont solides dans les conditions normales de température et de pression, avec une masse volumique et une température de fusion élevées. Ils ont le plus souvent des propriétés catalytiques remarquables, aussi bien sous leur forme atomique que sous leur forme ionique. Ils peuvent former une grande variété d'espèces ioniques dans une gamme étendue d'états d'oxydation, grâce à la faible différence d'énergie entre ces différents états d'oxydation, ce qui donne lieu à des complexes diversement colorés en raison des différentes transitions électroniques au sein de la sous-couche (d) incomplète. Ils sont également susceptibles de former de nombreux composés paramagnétiques sous l'effet d'électrons non appariés dans la sous-couche (d). >> Wikipédia
Tableau périodique des éléments supraconducteurs connus :
En bleu à pression ambiante En vert à haute pression (uniquement)
Depuis 30 ans, tous les travaux scientifiques sur la supraconductivité à ''dite haute température'' se sont polarisés sur la recherche de matériaux combinant toutes sortes d'éléments chimiques et organiques. Tous les éléments chimiques, conducteurs ou isolants, naturels ou exotiques, dia ou paramagnétiques, métaux, métalloïdes, alliages, céramiques, complexes polyatomiques, éléments carbonés ou molécules organiques ont été testés, mélangés ou superposés par couches ultra fines, afin d'obtenir un passage en phase supraconductrice à un équilibre critique le plus élevé possible.
Ainsi sont apparus de nombreux matériaux composites supraconducteurs de type II dont la structure est différente de celle des matériaux diamagnétiques parfait. Beaucoup sont paramagnétiques, certains associés à d'autres, modifient leurs propre comportement.
<< Par exemple le cuivre, l'or et l'argent ne sont pas des conducteurs, mais certains oxydes de cuivre, les cuprates jouent un rôle important dans la supraconduction de type II. Il en est de même pour les produits carbonés comme les fullerènes et surtout le graphite. Certaines molécules polyatomiques de carbone dopées par un métal alcalin sont supraconductrices avec des températures critiques de 18 à 30 K. >> Wikipédia
Pour faire le point de ces recherches je choisis de copier une grande partie de l'article que l'excellent journaliste scientifique Laurent Sacco a publié sur le site de Futura-Sciences le 19/08/2016 dont voici l'adresse et le titre :
<< La supraconductivité à hautes températures des cuprates intrigue les physiciens depuis 30 ans. Un groupe de chercheurs états-uniens a peut-être trouvé la clé de cette énigme. Si tel est le cas, ce pourrait être une première étape vers une révolution technologique majeure >>
<< Pour que le phénomène de supraconductivité nous soit utile, il faudrait disposer de supraconducteurs à température ambiante, plus faciles et peu coûteux à fabriquer. Nous pourrions alors conduire l'électricité sans perte grâce à des câbles sur de longues distances, faire circuler des Maglev (trains à sustentation magnétique) et peut-être même disposer de réacteurs à fusion contrôlée plus petits que le futur réacteur Iter. >>
<< Un grand espoir est né à ce sujet en 1986 lorsque l'on a commencé à découvrir des supraconducteurs à hautes températures critiques avec des cuprates. Ces matériaux exotiques peuvent conduire l'électricité sans résistance, d'abord à plusieurs dizaines de kelvins en utilisant de l'azote liquide, lequel est bien plus aisé à produire que l'hélium liquide, et maintenant à plus de 130 kelvins (-140 °C). Leur composition et leur structure est, en simplifiant, la suivante : il s’agit de mille-feuilles où des couches d’atomes s’empilent les unes sur les autres en paires de « plans » faits d'atomes de dioxyde de cuivre (CuO2), eux-mêmes intercalés de couches séparatrices très fines d’Yttrium (épaisses de quelques atomes seulement), ces paires de plans étant isolées des autres par du Baryum, de l’oxygène et des chaînes CuO7. Le nombre d’électrons dans ces couches peut être modifié en oxydant le matériau ou en modifiant par dopage sa composition chimique. >>
<< Il est rapidement apparu que la supraconductivité des cuprates ne pouvait pas être expliquée par la fameuse théorie de 1957 développée par Bardeen, Cooper et Schrieffer (théorie BCS). Cette théorie est foncièrement quantique car elle repose sur le fait que la quantification de l'énergie des vibrations du réseau cristallin d'un solide se traduit par l'existence d'analogues des photons, les quanta de lumière. Comme il s'agit d'ondes sonores se propageant dans un milieu matériel, on parle de phonons. Dans les supraconducteurs conventionnels, ces phonons provoquent, en dessous d'une certaine température critique, la formation de ce qu'on appelle des paires de Cooper, des couples d'électrons de conduction qui peuvent se déplacer sans rencontrer de résistance. >>
<< Les paires de Cooper se forment aussi dans les cuprates mais, pour la majorité des physiciens du solide, pas à cause des phonons ou en tout cas pas exactement selon le mécanisme de la théorie BCS. D'autres chercheurs sont plus radicaux et font intervenir des interactions magnétiques entre les électrons. Si l'on comprenait vraiment ce qui se passe dans les cuprates, on pourrait peut-être concevoir de nouveau matériaux qui, eux, seraient supraconducteurs à des températures plus élevées et, dans l'idéal, à température ambiante. >>
<< Bientôt des supraconducteurs à température ambiante ? >>
<< Le secret des cuprates est resté hors de portée des investigations des chercheurs depuis 30 ans. Toutefois, la situation est peut-être en train de changer si l'on en croit une publication faite dans le journal Nature et provenant d'une équipe de physiciens états-uniens travaillant au célèbre Brookhaven National Laboratory. Ivan Bozovic et ses collègues se sont intéressés à une classe particulière de cuprates : les LSCO, pour Lanthanum strontium copper oxide en anglais, ce qui veut dire qu'il s'agit de cristaux d'oxyde de cuivre dopés avec des atomes de lanthane et de strontium. Ces cristaux sont difficiles à produire sous une forme pure, régulière, avec peu de défauts cristallins, une condition essentielle pour bien comprendre de quelles variations de paramètres dépend l'apparition d'une phase supraconductrice. >>
<< Les chercheurs y sont pourtant parvenus en faisant croître, couche d'atomes après couche d'atomes (par épitaxie), 2.500 films minces de LSCO afin de les étudier soigneusement. Ils ont découvert que la température critique d'apparition de la phase de supraconductivité dépendait du dopage en strontium, c'est-à-dire de la quantité de cet élément entrant dans la formule chimique des LSCO. Or, l'augmentation de cette quantité fait décroître la densité des paires de Cooper. Les chercheurs ont montré qu'il y avait en fait un véritable lien causal entre l'augmentation de cette densité et celle de la température critique des LSCO ; les autres explications qui avaient été avancées pour expliquer le lien entre le dopage en strontium et les variations de températures n'étaient pas les bonnes. Il s'agit d'une avancée importante mais on ne comprend toujours pas par quel mécanisme l'augmentation de la densité des paires de Cooper est produite. C'est probablement le prochain verrou à faire sauter pour savoir si l'on pourra un jour disposer de supraconducteurs à température ambiante. >>
5) ÉTUDE DE LA SUPRACONDUCTION PAR LA PHYSIQUE DES ONDES
Nous avons cité ce texte car il montre bien les difficultés que rencontre la physique des particules dans l'explication du phénomène de la supraconductivité. Lors de notre étude de l'atome froid (rubrique N°11), nous avions dégagé une idée qui me parait maintenant essentielle : le phénomène de supraconduction n'est reliée qu'indirectement à la notion de température. Expliquons cela.
Bien sur, la supraconductivité a été découverte à partir de matériaux diamagnétiques refroidis à basse température par de l'hélium liquide. De même la température critique Tc à partir de laquelle apparaît le phénomène de supraconduction est un critère essentiel à connaître pour chaque matériau (ou pour chaque assemblage d'éléments). Mais notre étude de la rubrique N°11 qui concerne le procédé et l'appareillage permettant d'obtenir un condensat d'atomes froids, montre que les phénomènes qui apparaissent alors, comme la supraconduction, correspondent à un état particulier de la structure électronique des atomes du matériau. La température du matériau, de même que la densité de courant obtenu (débit des électrons circulant) et la puissance du champ magnétique extérieur qui en a permis l'obtention, ne sont que les paramètres d'action et les éléments de mesure de ce nouvel état de structure électronique et nucléaire correspondant au matériau étudié. Ces éléments sont reliés entre eux, il s'agit d'un triple équilibre sur lequel il est possible d'agir, un par un, mais en liaison entre eux trois et le niveau de cet équilibre dépend de la structure physique du matériau.
Divers facteurs structurels interviennent également, comme la pression exercée sur le matériau, la structure chimique et physique de ce dernier et en particulier sa susceptibilité magnétique. Également bien sur, la durée des opérations permettant l'obtention de l'état de supraconduction. Celui-ci peut être réalisé, rappelons-le, par réfrigération à l'hélium ou azote liquide, mais aussi par le même dispositif que celui qui est exposé au chapitre N°5 de notre rubrique N°11 et qui décrit l'appareillage complexe conçu par Yannick Bidel pour l'obtention d'un condensat d'atomes froids.
D'après la physique des ondes, un électron (onde double et dipôle magnétique) peut être ''manipulé'' par deux actions coordonnées, l'une sur son onde énergétique, l'autre par induction magnétique (action sur son onde de structure). Ces deux actions peuvent être réalisées ensemble par un piège laser et un ralentisseur Zeeman agissant directement sur l'énergie des électrons. Ceux-ci sont piégés au niveau fondamental d'énergie et sont inactifs à leur niveau le plus froid. Si un champ magnétique extérieur est mis en action par résonance magnétique nucléaire, les noyaux atomiques réagissent par un champ magnétique induit dont la puissance est proportionnelle au champ extérieur. Ainsi peuvent être expulsés les électrons périphériques non refroidis. Lorsque la puissance du champ magnétique extérieur baisse en dessous d'une valeur dite critique (Hc) pour le matériau (valeur fonction de sa susceptibilité), la puissance du champ induit ne permet plus de ''bloquer'' les électrons des couches profondes, il se produit, corrélativement, une augmentation de température qui franchit la limite critique (Tc) et une chute brutale de la densité de courant (Jc), c'est à dire l’arrêt du phénomène de supraconduction.
51) La supraconductivité des matériaux diamagnétiques parfaits
Il n'existe qu'un seul état relationnel d'équilibre entre (Hc), (Tc) et (Jc) pour les matériaux diamagnétiques parfaits, ce qui est le cas des supraconducteurs de type I que nous examinons maintenant. Nous avions remarqué le fait que ces matériaux diamagnétiques à vocation supra-conductive ont des électrons nombreux sur les couches de basse énergie (couches pleines), existant au plus près du noyau, dans l'état d'énergie minimum (à la température la plus basse). La physique des ondes pense que le refroidissement de la ceinture électronique de bas niveau renforce la réaction magnétique du noyau au champ extérieur. Ceci fait que l'état d'équilibre supraconducteur est obtenu plus facilement en abaissant la température du matériau, ce qui ''gèle'' les couches électroniques fondamentales, plutôt qu'en augmentant le champ magnétique extérieur. L'équilibre est également plus solide. Nous verrons plus loin que c'est différent pour les matériaux de type II.
Le schéma ci dessous est extrait de l'excellent site :
https://superconductors.fr/types_supraconducteurs.php
Suivant nos hypothèses, les électrons des couches fondamentales sont des disques peu énergétiques. Sous l'influence de ce champ magnétique induit, et accompagnés éventuellement par un ciblage énergétique résonnant à la fréquence correspondante, certains électrons peuvent se retourner ''comme des gants'' et devenir des positrons, se marier avec des électrons des niveaux supérieurs. Ainsi les électrons-positrons des couches atomiques supérieures sont éjectés par ce champ magnétique. Réunis sous forme de paires de Cooper (en état singulet) ils forment un fluide qui ''coule'' sans résistance dans le matériau conducteur. Ils sont libres de circuler (''bosons dans la mer de Fermi'') dans et hors de l'atome. Le matériau est devenu un supraconducteur et le reste tant que les valeurs critiques ne sont pas dépassées, (tant que l'équilibre (Hc), (Tc), (Jc) n'est pas rompu).
Pour les matériaux diamagnétiques parfaits qui possèdent une forte configuration électronique de basse énergie, cet équilibre est aussi très bas. Les échantillons très purs de plomb, de mercure, et d'étain qui sont de bons exemples de matériaux diamagnétiques parfaits, se caractérisent par un passage brusque à l'état de supraconducteur en dessous d'une température (Tc) très basse, proche du zéro absolu, soit : 7,196 K pour le plomb (Pb), 4,15 K pour le mercure (Hg), 3,72 K pour l'étain (Sn) et jusqu’à 0,000325 K pour le Rhodium (Rh). Ce sont 30 métaux ou métalloïdes dits supraconducteurs de type I qui ne possèdent qu'un seul équilibre entre les trois valeurs critiques.
Quand la température du matériau passe au dessus de cette même température (Tc) ce matériau perd brusquement ses propriétés de supraconduction. Il en est de même lorsque la puissance du champ magnétique extérieur dépasse une valeur critique (Hc), et ceci se produit même si l'on refroidit encore le matériau. Il faut noter qu'une pression exercée sur le matériau change cet équilibre en augmentant la possibilité de supraconduction à des températures critiques (Tc) bien plus hautes. Ceci est une preuve que le phénomène de supraconductivité dépend, non pas uniquement de l'état énergétique (température) d'un matériau, mais bien de l'ensemble de sa structure physique et chimique et, en particulier, de la configuration électronique des atomes qui la composent.
52) La supraconductivité de type II des matériaux de transition et complexes. Les vortex
Nous avons vu les difficultés de compréhension des phénomènes qui se produisent dans le cas des supraconducteurs de type II car la théorie BCS des paires de Cooper ne peut rendre compte de ce qui se passe à l'intérieur de ces matériaux. Ceux-ci sont souvent synthétisés en laboratoire et n'existent pas à l'état naturel. Ils sont constitués de structures atomiques complexes qui ont des susceptibilités magnétiques différentes et diverses configurations électroniques (voir précédemment les propriétés des éléments de transition). Parmi les différents atomes qui les composent, la majorité ont des susceptibilités diamagnétiques mais certains sont paramagnétiques avec des sous-couches électroniques (d) incomplètes et des électrons non appariés dans cette sous-couche. On peut les considérer comme des impuretés dans un milieu diamagnétique ou les comparer à des ''traîtres'' qui laissent s'infiltrer le champ magnétique extérieur à l'intérieur du matériau. Ceci modifie les conditions d'obtention de la supraconductivité et en particulier crée un second état d'équilibre (Tc2), (Hc2) et (Jc2) plus élevé, comme nous l'expliquons ci-dessous.
Refroidies comme les matériaux de type I précédents et soumises à un champ magnétique extérieur faible, ces structures complexes se comportent comme des supraconducteurs de type I soumis à un état d'équilibre entre (Tc1), (Hc1) et (Jc1). Mais si, corrélativement au refroidissement du matériau, on le soumet à un champ magnétique extérieur qui croit progressivement, celui-ci le pénètre petit à petit en profondeur grâce aux éléments paramagnétiques qu'il contient (grâce à la ''traîtrise'' des atomes des impuretés) .
Ce sont les russes V. L. Ginzburg et L. D. Landau qui ont proposé en 1950 de considérer le phénomène de supraconduction comme une ''onde quantique'' et qui ont établi une théorie physique mathématique dont les équations permettent de déterminer les relations existant entre Tc, Hc et Jc . Ils ont aussi calculé, pour un matériau supraconducteur, la ''longueur de pénétration'' du champ magnétique dans le matériau (de 10 à 100 nm) et la ''longueur de cohérence'' (nécessaire pour que l’onde supraconductrice se développe). Cette dernière longueur se trouve être la taille du cœur des ''vortex'' dont nous allons maintenant parler, en utilisant des textes de Wikipédia.
Le russe- américain A. A. Abrikosov (1928-2017) qui a travaillé avec Landau, a obtenu avec V. Ginzburg et A. Leggett le prix Nobel de physique de 2003 « pour des contributions pionnières à la théorie des supraconducteurs et des superfluides ». Ils ont établi l'existence (visible au microscope atomique) de vortex, sorte de colonnes de flux magnétique extérieur que les atomes des impuretés paramagnétiques ont laissé pénétrer dans le cœur même du matériau.
Autour de ces colonnes, et pour empêcher la pénétration du flux magnétique dans le reste du matériau, se forme un tourbillon d'électrons qui sont ''arrachés'' aux atomes diamagnétiques. Ils constituent un courant supraconducteur formé de paires de Cooper en état singulet, mais aussi en état triplet (pour la physique des ondes ce sont 2 électrons enfilés l'un dans l'autre). La supraconductivité de l'hélium 3 soumis à un champ magnétique élevé a même montré l'existence de ''fermions lourds'' que la physique des ondes interprète comme une file d'électrons emboîtés les uns dans les autres (rappelons que ce sont des ondes, aussi en forme de vortex).
Lorsque le champ magnétique extérieur augmente progressivement, ce champ pénétrant le matériau en profondeur ''allume'' de plus en plus de vortex. A.A.Abrikosov a établi que les vortex s'ordonnent en un réseau hexagonal en raison des forces répulsives créées entre vortex par les courants supraconducteurs, c'est-à-dire par les paires d'électrons qui se sont formées dans la partie principale du matériau qui reste diamagnétique. La densité du courant supraconducteur ( débit éventuel de paires d'électrons) augmente corrélativement. La croissance du nombre de vortex finit par ''étouffer'' le phénomène et le processus supraconducteur est stoppé. Le triple équilibre supérieur est atteint pour ce matériau. Il est caractérisé par la mesure critique (Hc2) du champ magnétique, par la densité de courant (Jc2) atteinte et par la température critique (Tc2) correspondante.
La figure ci-dessous est extraite du site suivant : http://heloisenonne.eu/recherche_vortex.html
elle montre, pour différentes valeurs de champ magnétique, la progression des vortex (en sens contraire) de (c) à (a). Ils se fixent (en (c) et en (b) sur des défauts (artificiels) (points roses). En (a) le champ magnétique est fort, il induit quatre fois plus de vortex (en bleu) que de défauts.
Figure obtenue au micrographe de Lorentz (d'après Tonomura 1999) permettant d'observer un réseau carré de défauts créé dans une couche mince de niobium (Nb) par irradiation aux ions gallium (Ga). La présence de ces défauts permet de fixer très fortement les vortex. Ceux-ci font de 2 à 3 nanomètres de diamètre et la distance moyenne entre deux vortex est de 10 à 30 nm.
De très nombreuses études expérimentales sont menées par nombre de laboratoires mondiaux dans l'espoir d'obtenir des matériaux supraconducteurs de type II possédant les meilleures performances de supraconduction à une température critique de plus en plus près de la normale. Il leur faut donc, dans l'équilibre critique (Hc2,Tc2,Jc2), maximiser les valeurs de conductivité et de température sans employer des champs magnétiques hors de portée des moyens actuels. La théorie de Ginzburg et Landau développée expérimentalement par Abrikosov est précieuse pour le chiffrage de l'ensemble des facteurs qui interviennent. C'est ainsi qu'ont été déterminées des connaissances importantes et inattendues concernant les vortex et l'ensemble des phénomènes qui interviennent dans la supraconduction des matériaux étudiés. Dans le chapitre suivant nous donnons un aperçu chiffré de certains résultats obtenus. Ils confortent le rôle primordial joué par l'électron dans le phénomène de supraconduction. L'électron lié aux quanta est bien la cellule de base de la physique quantique !
53) Les données expérimentales et les données chiffrées provenant des études théoriques
Il est possible qu'un jour prochain un physicien-chimiste, spécialiste des matériaux complexes, intéressé par la supraconduction et ne craignant pas les écarts de conduite, adopte les hypothèses de base de la physique des ondes. Il pourrait alors théoriser et expérimenter sur la supraconduction de type II en considérant réellement les électrons comme des ondes doubles et comme des monopoles magnétiques. La clarté des explications y gagnerait et sans doute cela ouvrirait de nouveaux horizons, mais il est probable que les travaux et les mesures réalisés jusqu'alors soient rigoureusement confirmés. En effet, l'historique de la supraconduction nous montre que, dans tous les calculs théoriques utilisant aussi bien la physique macroscopique (statistique géométrique, électromagnétique, etc.) que la physique quantique, c'est l'électron qui est ''à la manœuvre''.
En partant des travaux de F. London, d'Abrikosov ainsi que des équations de Landau, il a été calculé et constaté expérimentalement que la mesure du flux magnétique qui traverse un vortex donne toujours la même valeur. On l'appelle ''quantum de flux magnétique''. Ce flux quantique (Φ0) correspond à une charge électrique q=2e qui est le double de celle d’un électron isolé (e). Sa valeur est donnée par :
Φ0 = h / (2e) = 2,067 833 831 × 10−15 Weber. (h est la constante de Planck)
Une autre caractéristique remarquable des vortex est que le flux de champ magnétique existant dans l'anneau supraconducteur qui entoure chaque vortex est toujours un multiple entier de ce ''quantum de flux magnétique''. C'est-à-dire que le flux dans le supraconducteur, ci-dessous dans un anneau, est un multiple (n) du flux Φ0 , soit :
Φ anneau = n. h/2e
Quantification du flux dans un anneau supraconducteur en fonction du flux appliqué. (Wikipédia)
<< Cela confirme que les ''objets quantiques'' qui forment le condensat supraconducteur sont des paires d’électrons et non des électrons isolés. C’est aussi la quantification du flux qui permet de comprendre pourquoi chaque vortex est traversé exactement par un ''quantum de flux magnétique'' quelque soit la composition chimique du supraconducteur, quelque soit la valeur précise de la température ou du champ magnétique. >>
http://www.supraconductivite.fr/fr/index.php?p=applications-squid-quantification
La forme en escalier de cette courbe est identique à celle de la courbe qui apparaît dans la version quantique de ''l'effet Hall''. Cet effet est observé dans les matériaux bidimensionnels (en forme de feuillet) semi-conducteurs qui constituent les matériaux complexes de type II. Soumis à de basses températures et à des champs magnétiques puissants, la conductivité du matériau prend des valeurs très exactement quantifiées. (voir l'image de courbe ci dessus)
Si l'on porte en ordonnée la conduction électrique exprimée en siemens et en abscisse la charge magnétique, quel que soit le matériau, sa forme, ses propriétés physiques, et la tension du courant électrique qui le traverse, la conduction électrique (σ) est donnée par la formule :
(σ) = n (e2 / h)
C'est donc un multiple (n) du carré de la charge de l'électron (e) divisé par (h) qui est la constante de Planck. La hauteur des marches est toujours la même, c'est le ''quantum de conductance'' il vaut : 3,87416705408 x 10-5 siemens
D'une manière générale, c'est la formule établie par la loi de Nernst-Einstein qui permet de calculer la conductivité d'un matériau. La conductivité électrique ( σ ) caractérise l'aptitude d'un matériau ou d'une solution à laisser les charges électriques se déplacer librement et donc permettre le passage d'un courant électrique. Elle s'exprime en siemens par mètre (S m-1), la voici :
* kB est la constante de Boltzmann, soit environ 1,3806 × 10−23 J K−1
* (e) est la charge élémentaire de l'électron, soit 1,602 × 10−19 C
* T est la température absolue, exprimée en kelvins
* Les termes suivants dépendent des paramètres fondamentaux du matériau :
* D = coefficient de diffusion de l'espèce chargée considérée
* Z = nombre de charges portées par l'espèce
* C = la concentration molaire de l'espèce
Ces derniers termes qui dépendent de la composition chimique du matériau ont pour signification la capacité de celui-ci à fournir le maximum d'électrons disponibles pour la conduction. Mais le choix d'un matériau adéquat ne suffit pas pour obtenir un supraconducteur, il faut d'une part lui arracher ce maximum d'électrons, et d'autre part pouvoir les configurer par paire, tête-bêche, comme des structures neutres qui se ''coulent'' dans le conducteur sans frottement, sans résistance magnétique, comme des bosons, comme des '' tous petits neutrons''. (Pourquoi pas des vrais?).
Nous avons vu que cela est réalisable avec des métaux purs, diamagnétiques parfaits à très basse température. Le champ magnétique extérieur appliqué sur les atomes du matériau est repoussé par les noyaux. Ce faisant, il retourne la polarité de certains électrons et les marie par paire d'électrons-positrons qui se trouvent repoussés vers l'extérieur. Mais ce champ ne pénètre le matériau qu'en surface, sur une distance extrêmement faible appelée ''longueur de pénétration'' (λ) de 10 à 100 nanomètres.
Nous connaissons aussi la possibilité d'obtenir cette supraconductivité à plus haute température si l'on inclut, dans le corps même du matériau, des ''impuretés'' paramagnétiques qui ''attirent'' le flux magnétique extérieur dans la profondeur du matériau. Comme le ferait une perceuse à percussion, il se crée dans la masse diamagnétique, une ''remontée'' tourbillonnaire (''vortex'') d'électrons en structure de singulet, de triplet et même de ''pseudo-particules réelles''.
Cependant l'équilibre indispensable du supraconducteur entre Jc2, Hc2 et Tc2 peut se trouver rompu, car l'augmentation nécessaire du champ magnétique extérieur peut entraîner une prolifération de vortex qui étouffe le phénomène. Je cite Wikipédia :
<< Pour obtenir une capacité de transport de courant importante, nécessaire aux réalisations technologiques, il est indispensable d'empêcher le (faible) déplacement des vortex. L'implantation de défauts non supraconducteurs dans la structure cristalline, comme des dislocations, des amas de lacunes, des particules de secondes phases, des joints de grains, permet ''d'épingler" les vortex. A condition d'être de dimension suffisante, ces défauts augmentent la valeur du courant de transport critique. >>
<< Le flux par vortex étant toujours identique au quantum, c'est le nombre de vortex par unité de surface qui détermine l’induction magnétique moyenne (B) traversant le supraconducteur. Entre l’apparition du premier vortex à Hc1 et la suppression de la supraconductivité lorsque les cœurs de vortex se chevauchent à Hc2, on peut, dans des matériaux à haute température critique, varier la densité des vortex sur six ordres de grandeur en variant le champ extérieur appliqué. >>
Le schéma ci-dessus représente un vortex, il est extrait du site suivant : http://docplayer.fr/9366230-Memoire-de-magister-specialite-electrotechnique-optionentrainements-electriques-presente-par-kana-ouzna-theme.html-
<< La longueur de cohérence ξ ("xi") est la taille sur laquelle s’étend une paire de Cooper, (2 ξ sur le schéma). C'est la distance qu’il faut pour que l’onde supraconductrice se développe. C’est aussi la taille des cœurs des vortex. Elle peut varier beaucoup selon les supraconducteurs, du micromètre dans les supraconducteurs comme l’aluminium jusqu’à seulement quelques nanomètres dans les cuprates. >> Extrait de :
Cela signifie, je pense, que ''l'onde supraconductrice'' pourrait être composée de structures beaucoup plus importantes que celles de paires d'électrons et que : << les paires ne sont absolument pas toutes condensées dans le même état, comme supposé par Bardeen et accepté par tous après lui. >>
D'après une étude récente menée par Monique Combescot (INSP) et Michel Crouzeix (Institut de recherches mathématiques de Rennes (Université RENNES)
http://www.insp.jussieu.fr/Supraconductivite-la-theorie-vient.htm
Nous venons de voir que le réglage de l'équilibre des facteurs de la supraconduction de type II est ''bridé'' par la taille des vortex (longueurs de pénétration et de cohérence) et par la limitation de leur nombre à la surface du matériau. La puissance du flux magnétique qu'ils peuvent transmettre semble également limitée. Par contre, est énorme le nombre d'électrons mobilisables pour des mariages dans les atomes d'un matériau à vocation de supraconducteur. Cela peut se réaliser par paire d'électron-positron mais aussi par paire de structures plus grosses, des ''muons'' et anti-muons par exemple.
Nous savons que c'est sur l'onde de structure de l'électron (onde de spin) que l'on peut agir. Il convient, en mariant l'électron et le positron de neutraliser leurs effets magnétiques respectifs. Les pertes par résistance (chaleur) dans les conducteurs ne proviennent pas, comme on le dit trop souvent, de l'agitation incontrôlée des électrons-particules mais de leurs ondes qui les freinent. Si celle-ci sont mariées, tête-bêche par exemple, ces ondes forment une structure qui, repliée sur elle-même, n'est plus polarisée. Nous venons d'explorer les possibilités offertes par le refroidissement artificiel des atomes associé à l'application d'un champ magnétique, sur et dans, le matériau. Découverte expérimentalement et théorisée avec difficulté par la physique des particules, la supraconduction que nous avons interprétées dans l'optique de la physique des ondes, nous a montré l'importance de l'électron, de son onde de spin, de sa polarisation et de son regroupement par paire (et plus) pour former des structures magnétiquement neutres.
La fréquence de rotation des ondes de spin est de l'ordre des ondes radio THF. Il devrait être possible d'agir à cette fréquence sur les électrons célibataires disponibles dans un matériau préparé pour devenir supraconducteur. Le but de l'opération est de neutraliser les électrons en les mariant par paire ou par structure plus grosse à destination d'un courant supraconducteur de plus grande densité. Examinons ci-dessous les possibilités offertes par la résonance magnétique électronique.
54) Résonance paramagnétique électronique (RPE) et Spectroscopie de spin muonique
Le muon (électron lourd) est une particule formée par 207 électrons ''enfilés'' les uns dans les autres, de charge négative (thèse de la physique des ondes). Il existe de même un anti-muon de charge positive constitué de 207 positrons. Ces particules ont une durée de vie très courte mais une grande énergie. Il semble qu'une formation par paire dans le flux tourbillonnaire des vortex pourrait les rendre stables et neutres. Il apparaît également que les possibilités de ''manipulation'' des électrons offertes par la résonance de spin électronique constituent un nouveau domaine de recherches.
On rejoint ici la technique de << résonance paramagnétique électronique (RPE) ou résonance de spin électronique (RSE), en anglais ''electron spin resonance'' (ESR), qui désigne la propriété de certains électrons à absorber, puis réémettre l'énergie d'un rayonnement électromagnétique lorsqu'ils sont placés dans un champ magnétique. Cette propriété est analogue à celle des noyaux atomiques en résonance magnétique nucléaire (RMN). Seuls les électrons non appariés (ou électrons célibataires), présents dans des espèces chimiques radicalaires ainsi que dans les sels et complexes des métaux de transition, présentent cette propriété. >> Wikipédia
<< Ce phénomène est utilisé dans la spectroscopie par résonance paramagnétique électronique. Celle-ci permet de mettre en évidence la présence d'électrons non appariés dans des solides, des liquides ou des gaz et de déterminer l'environnement de ces derniers. Il sera possible, par exemple, de connaître le type de noyaux atomiques à proximité de ces électrons non appariés et d'en déduire éventuellement la structure d'une molécule. Par ailleurs, du fait de l'importance du moment magnétique de spin de l'électron, cette technique est également très sensible. >>
https://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9sonance_paramagn%C3%A9tique_%C3%A9lectronique
<< La spectroscopie de spin muonique est une technique expérimentale basée sur l'implantation de muons à polarisation de spin dans la matière et sur la détection de l'influence de l'environnement atomique, moléculaire ou cristallin sur leur mouvement de spin. Le mouvement du spin du muon est dû au champ magnétique de la particule et peut fournir des informations sur son environnement local de manière très similaire à d'autres techniques de résonance magnétique, telles que la résonance de spin électronique (ESR ou EPR) ou nucléaire (RMN). >>
https://fr.wikipedia.org/wiki/Résonance_paramagnétique_électronique#Couplage_hyperfin
Nous avons montré plusieurs fois dans les précédentes rubriques l’avantage pour notre électron de posséder un double réglage possible en fréquence de son onde qui est à la fois longitudinale et transversale, et donc accessible par voies énergétique et magnétique à des échelles de fréquence qui sont différentes. Ce dernier réglage magnétique est également double suivant le sens de la rotation (spin) des particules, ce qui permet ou non de lier leurs structures. Si l'on tient compte de la quantification de toutes les mesures ainsi que des possibilité d'action sur les électrons par mise en résonance (en accord) des vibrations aux bonnes fréquences, il devrait être possible de renforcer la densité de courant des supraconducteurs de type II précédents en utilisant les techniques de la (RPE) dont nous venons de parler. Ainsi, serait-il possible d’espérer trouver un nouvel équilibre entre Jc2, Hc2 et Tc2 qui soit plus favorable en température, plus stable et durable, et donc économiquement viable ?
Les études de l'effet Josephson dont nous avons parlées dans l'historique ont été activement poursuivies par de très nombreux chercheurs en utilisant l'effet tunnel (voir la rubrique N°2 sur les microscopes, chapitre N°32). Ces effets Josephson sont très sensibles à la valeur du champ magnétique ce qui les rend particulièrement utiles pour construire des systèmes extrêmement précis de mesure de champ magnétique, appelés SQUID. Ce sont des sandwichs formés de deux couches de matériaux supraconducteurs avec une tranche très fine d'un isolant entre les deux. Les paires de Cooper ne peuvent passer d'une couche à l'autre que grâce à l'effet tunnel. Ces systèmes sont donc très intéressants pour l'étude de ces électrons groupés par paires ou formant des structures plus importantes qui franchissent ou pas le tunnel, dans l'état groupé ou individuel.
Des chercheurs ont constaté que << si l'on remplace l'isolant par un matériau ferromagnétique, les paires de Cooper sont détruites, plus exactement, les paires de Cooper ne peuvent plus exister dans un état singulet, contrairement aux paires dans un état triplet (selon les calculs théoriques), pourvu qu'elles puissent se former. >> et << Avec un alliage de Heusler ferromagnétique de formule Cu2MnAl le courant obtenu est plus intense que dans le cas des jonctions Josephson conventionnelles.
Je vous recommande de lire le texte intégral suivant : Chapitre 6 Les électrons dans les solides
Vous le trouvez sur le site : http://www.lps.ens.fr/~balibar/electrons.pdf
Il décrit, on ne peut faire mieux, accompagné de belles photos, tout le développement de la supraconduction, l'état de son usage actuel, son avenir. Il parle très justement de la spintronique dont voici la définition de Wikipédia :
<< La spintronique, électronique de spin ou magnéto-électronique, est une technique qui exploite la propriété quantique du spin des électrons dans le but de stocker des informations. >>
Je suis persuadé que le développement de la spintronique sera considérablement plus vaste que sa contribution à la miniaturisation et à la rapidité de l'information !!
6) CONCLUSION
Arrivé à la fin de cette 22ème rubrique qui m'a demandée plus de 6 mois d'un laborieux travail, je dois avouer que mon cerveau est de plus en plus handicapé par l'âge de ses neurones ( bientôt 89 ans). Mais je suis forcé (et satisfait) de constater que l'étude de la physique dans tous ses différents aspects ne fait que conforter les hypothèses de départ de la physique des ondes, au moins en ce qui concerne l'électron. Je n'ai plus de complexes à affirmer que l'électron est une onde énergétique longitudinale, structurée par une onde transversale (dite spin) qui tourne réellement (c'est la même onde en rotation). C'est devenu pour moi une évidence : l'électron est LA particule de base de toute la physique de l'énergie et de la matière.
Les sciences de base de la physique sont :
L'électrotechnique qui traite de l'énergie électrique à forte et moyenne tension, à gros et moyen débit (production, transport, distribution, traitement, transformation, gestion, utilisation).
L'électronique est liée à l'utilisation des courants à faible énergie utilisés dans la commande et la régulation des appareils, en cybernétique (science de l'automatisation), pour la mise en forme et la gestion des signaux électriques, mais aussi pour traiter et mémoriser les informations.
La spintronique ou magnéto-électronique est, pour la physique des ondes, en rapport avec la structure de la matière au niveau atomique. L'attraction et la répulsion physique et chimique sont des phénomènes propres à l'électron. La conductivité électrique des matériaux, tout ce qui concerne la relation des électrons entre eux, leur circulation intra et extra atomique relève aussi de la spintronique. L'évolution quantique de la thermodynamique (rubrique N°20 chapitre N°34) introduit la spintronique au cœur des changements d'état et des transferts d'énergie des atomes de la matière. Si l'on accepte nos hypothèses concernant la constitution des noyaux atomiques, la spintronique s'y introduit également.
Enfin, les mémoires de masse d'information de nos ordinateurs et de nos CD sont déjà des enfants de la spintronique. Bientôt les transistors, les cerveaux de nos robots et les nôtres (pour le meilleur et/ou pour le pire) sont des domaines d'avenir pour la spintronique.
P.S. Sur la dualité onde-particule des électrons, je vous recommande sur le site de la Fondation de Broglie le texte du 02 Mars 2014 de l'entretien avec Georges Lochak dont voici l'adresse :
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