Théorie BCS

En 1957, trois physiciens du nom de Bardeen, Cooper et Schrieffer émettent une théorie sur la supraconductivité.

 

 

 

 

 

 

 

 

Pour eux, les électrons se regroupent par paires : les paires de Cooper. Celles-ci forment une onde collective de nature quantique .

La nature quantique des électrons au seins d'un métal implique que les électrons sont des ondes.

Dans un métal, en général, chaque électron est une onde. Il est également  indépendant. Or dans un matériau supraconducteur, les ondes se rassemblent pour former une grande onde collective : le condensat 

 

Explications :

Dans un supraconducteur, tel que notre pastille en céramique YBa2Cu3O7 créée en laboratoire, les électrons libres du métal ont un spin égal à 1/2. Ce sont des fermions puisqu' ils  représentent une particule de spin demi entier. Ces électrons se regroupent sous forme de paires : les paires de Cooper.

Ces paires de Cooper ont alors les mêmes caractéristiques que les bosons (particules qui ont un spin entier). Un boson implique une transition de phase à basse température. Une transition de phase est une transformation du système étudié (pastille) provoquée par la variation d'un paramètre extérieur particulier. Dans notre cas, la variation du paramètre est la température de la pastille qui est de 93 Kelvin, refroidie à l'azote liquide T=77K. Cette transition est responsable de la supraconductivité de la pastille.

 

 

Comment les paires de Cooper se forment-elles ?

 

Les électrons sont chargés négativement. Comment font ils pour se regrouper en paires ? Lorsqu'un premier électron passe dans le maillage moléculaire, il provoque une ondulation dans le maillage d'atome chargé positivement. Ceci crée ainsi une zone de charge positive constituée de phonons qui attire un second électron avant que le maillage moléculaire ne se referme. C'est ainsi que les deux électrons qui ont la même charge et qui devraient donc se repousser, se soudent entre eux, créant ainsi la paire de Cooper.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

La force des phonons est telle que les deux électrons peuvent rester deux à deux.

Grâce à cet arrangement entre les deux électrons, la paire va traverser le matériau supraconducteur avec moins de problèmes de collisions .

Lorsque le premier électron va passer entres les ions positifs , le maillage va reprendre sa position initiale (donc plus déformé).  Puis, grâce à l'augmentation de la polarisation positive, le second électron va être attiré par le premier. Comme les électrons sont rangés par paires, ils se déplacent plus vite dans le supraconducteur.

 

Ainsi la paire de Cooper et les vibrations (phonos) du réseau cristallin du métal entrent en interaction et la paire de Cooper se déplace sur la vibration .

 

Ces électrons, rangés par paires, forment cette grande onde collective nommée condensat.