Superconductors – CES7AL – CES9AL

Programme et contenu

La supraconductivité est très certainement l’un des phénomènes les plus spectaculaires qu’offre la physique de la matière condensée. Manifestation à notre échelle de la mécanique quantique régissant le monde atomique et subatomique, les deux principales caractéristiques inhérentes à la supraconductivité sont la perte totale de résistivité électrique (l’effet Joule disparaît) et l’expulsion du champ magnétique à l’origine du phénomène de lévitation. L’explication de la supraconductivité a constitué l’un des challenges les plus redoutables pour les physiciens de la première moitié du XXème siècle. De grands physiciens tels que Schrödinger, Feynman ou encore Einstein se sont attaqués à ce problème mais leur efforts sont restés vain. Ce n’est qu’en 1957, soit 46 ans après la découverte de la supraconductivité, qu’une description quantique complète sera formulée.

Ce cours se compose de deux grandes parties. Après une introduction historique (Cours 1), la première partie (Cours 2 à 6) est consacrée à la description des principales propriétés des supraconducteurs d’un point de vue phénoménologique en utilisant les lois de l’électromagnétisme et de la thermodynamique. Ces cours permettent de se familiariser avec les manifestations de l’état supraconducteur sur les propriétés physiques d’un matériau et de son comportement sous champ magnétique. La seconde partie du cours (Cours 7 à 10) est consacrée à la présentation des théories plus avancées qui permettent de décrire les propriétés thermodynamiques (théorie de Ginzburg-Landau, transition de phase) des supraconducteurs et l’origine microscopique de la supraconductivité à partir d’outils de physique statistique et de mécanique quantique (théorie BCS – Bardeen-Cooper-Schrieffer). Une introduction aux supraconducteurs non conventionnels (cuprates) sera également donnée. L’avant dernier cours (Cours 11) est dédié à une présentation d’un conférencier invité sur les applications industrielles de la supraconductivité. L’examen final (question de cours + problème) a lieu lors de la dernière séance (Cours 12).

Compétences

• Connaître : Les principales familles et propriétés des supraconducteurs utilisés dans les applications. Les théories phénoménologiques et microscopiques qui décrivent leurs propriétés.
• Comprendre : Les principales applications. L'origine de l'état supraconducteur. Les techniques de mesure pour étudier la supraconductivité.
• Appliquer : Les principales relations entre les grandeurs caractérisant l'état supraconducteur. Les théories phénoménologiques pour décrire l'état supraconducteur.
• Analyser : L'état supraconducteur à partir de mesures expérimentales pour en déterminer la nature conventionnelle ou exotique.
• Synthétiser : La nature de l'état supraconducteur dans un supraconducteur conventionnel.
• Évaluer : Les propriétés physiques des supraconducteurs afin de choisir le matériau le plus adapter à une application donnée.