Histoire de la supraconductivité et de la suprafluidité

Histoire de la supraconductivité et de la suprafluidité

Prof Jan Lacki, Histoire et philosophie des sciences, Université de Genève

Les enjeux des très basses températures

Lorsque le physicien néerlandais Kamerling Onnes (1853-1926) parvient à obtenir en 1908 de l’Hélium liquide à une température proche du zéro absolu, il rend possible l’étude de phénomènes physiques à très basse température et permet ainsi des découvertes inattendues, comme celles de la supraconductivité et de la superfluidité. La cryogénie est née. Encore fallait-il pouvoir obtenir ces températures qui excitaient tant l’imagination des savants. La quête des basses températures dans le cadre des tentatives de liquéfier des gaz en apparence permanents allait connaître un grand développement dans la deuxième moitié du XIXe siècle et mettre à rude épreuve l’ingéniosité des savants et ingénieurs pour descendre en température à des niveaux jamais encore atteints. Mais avant cela, il a fallu tout d’abord comprendre ce qu’est le froid, ou plutôt ce qu’est la chaleur.

Conceptions variés de la chaleur

Au début du XIXe siècle, suivant les conceptions néo-newtoniennes, les savants sont encore majoritairement en faveur d’une conception matérielle de la chaleur : celle-ci serait la manifestation d’un « fluide », dit fluide « calorique », qui imprègne littéralement les corps lorsqu’on les chauffe. Gonflant les corps par l’intrusion de ses particules, le calorique explique ainsi leur dilatation thermique et réciproquement leur contraction quand on les refroidit. Le thermomètre est alors compris comme une jauge décelant le niveau de calorique. Une même température peut cependant correspondre à des quantités absolues différentes de calorique selon la capacité calorifique des corps (chaleur spécifique).

Tous ne sont cependant pas d’accord avec l’idée de la chaleur comme un fluide matériel. Ils soulignent, comme le fait Benjamin Thomson (comte Rumford, 1753-1814) à la toute fin du XVIIIe siècle, que ce fluide pourrait être produit de manière paradoxale en quantité infinie par frottement, et préfèrent pour cela penser la chaleur comme associée à une forme de mouvement qui en serait la véritable origine. Au milieu du XIXe siècle, la chaleur comme mouvement finira par s’imposer à l’occasion de la découverte du principe de la conservation de l’énergie qui reconnaît la chaleur comme une forme d’énergie équivalente à l’énergie mécanique. Avec la montée en puissance des conceptions atomiques, en particulier dans le cadre de la théorie cinétique des gaz (ancêtre de la mécanique statistique), ce mouvement sera compris comme mouvement d’agitation thermique des particules de la matière.

La question de la physique au zéro absolu

Malgré leur différence radicale, les deux conceptions rivales de la chaleur prévoient toutes les deux un état particulier d’absence totale de chaleur, correspondant respectivement soit à une absence de calorique, soit à une annulation du mouvement au sein de la matière. C’est le zéro absolu de température qui sera identifié à la température de -273.13 K sur l’échelle du baron Kelvin (à l’époque encore William Thomson, 1824-1907, avant qu’il ne soit anobli pour les services qu’il rendit à la télégraphie transatlantique).

La conception de la chaleur comme mouvement d’agitation thermique qui finira par prévaloir suscitera des interrogations plus précises : l’annulation totale de celui-ci au zéro absolu laissait envisager des propriétés étonnantes de la matière, en particulier au niveau de ses propriétés de conduction électrique. Avec la découverte de l’électron en 1896, on comprend que le courant électrique correspond à son déplacement à travers la matière sous l’influence d’un champ électrique. Au tournant du XIXe siècle, deux théories s’opposent sur comment ce déplacement est affecté par la température. Selon l’allemand Paul Drude (1863-1906) les électrons se fraient plus facilement leur chemin à travers les atomes de la matière quand ceux-ci voient leur agitation thermique ralentie : au zéro absolu, les électrons devraient passer sans ne rencontrer aucune résistance : la résistance électrique du conducteur devrait à ce moment s’annuler. Kelvin, encore lui, est d’accord mais fait remarquer que les électrons eux-mêmes finissent par subir le « gel » de la matière et ainsi s’attend à ce que la résistance au passage du courant, après avoir diminuée à l’approche du zéro, finisse pas remonter abruptement pour devenir infinie au zéro absolu où les électrons eux-mêmes s’immobilisent.

Pour départager ces vues, on ne pouvait avoir recours qu’aux expériences. Mais comment atteindre des températures voisines du zéro absolu ? C’est la que notre histoire rejoint celle des tentatives de liquéfaction des gaz « permanents ».

Une question qui remonte à loin : existe-t-il des gaz permanents ?

La révolution de la chimie opérée à la fin du XVIIIe siècle avait définitivement balayé la théorie antique des quatre éléments pour lui substituer une conception basée sur la méthode de l’analyse chimique : pour Lavoisier (1743-1794), les éléments sont des substances que l’on ne peut plus décomposer en composés encore plus simples. Malgré cette définition débarrassée de toute métaphysique, on pouvait s’interroger encore au XIXe siècle sur l’existence des gaz permanents, c’est-à-dire des substances qui restaient gazeuses en toute circonstance (rappelant ainsi le caractère fondamental de l’élément grec « Air »). L’interrogation était motivée à l’époque par le constat que certains gaz comme celui de l’Oxygène, O₂, de l’Hydrogène, H₂ et, quand il sera découvert plus tard, de l’Hélium, He₂, résistaient à la liquéfaction malgré les pressions considérables auxquelles on les soumettait. Cela pouvait être dû à leur nature essentiellement volatile, ou plus simplement au fait que l’on n’avait pas encore atteint les températures assez basses pour les liquéfier. En conséquence de cette dernière hypothèse, la deuxième moitié du XIXe siècle connut une véritable « course au froid » : c’est ainsi que le genevois Raoul Pictet (1846-1929) et de manière indépendante le français Louis Cailletet (1832-1913) parvinrent à liquéfier l’Oxygène (1877), et plus tard l’anglais James Dewar (1842-1923) liquéfia l’Hydrogène (1898). Finalement, le néerlandais Onnes parvint en 1908 à liquéfier l’Hélium, un tout nouveau venu dans la liste des éléments chimiques puisqu’il n’avait été identifié qu’en 1868.

La supraconductivité, manifestation d’une nouvelle physique

Onnes ne visait pas seulement à obtenir de l’hélium liquide. Il poursuivait le programme plus vaste d’étudier les propriétés de la matière à très basses températures. Espérant utiliser la baisse de résistance électrique que prédisaient les théories de l’époque pour concevoir des nouveaux thermomètres capables de fonctionner à ces températures extrêmes, il étudia avec son équipe l’évolution de la résistance électrique dans le Mercure et parvint ainsi en 1911 à la découverte stupéfiante de la supraconductivité. Ni Drude, ni Kelvin n’avaient raison : la résistance électrique diminue avec la température mais, avant même le zéro absolu, elle tombe abruptement à zéro ! Un tel comportement défiait les conceptions établies et s’ajoutait à la liste des phénomènes qui venaient saper les certitudes de la conception classique de la matière.

Celle-ci était de toute façon en train de chavirer : des tous nouveaux phénomènes (les rayons X, 1895, la radioactivité, 1896, et son cortège de rayonnements alpha, beta et gamma), des constats faits depuis des décennies mais toujours en quête d’explication (les chaleurs spécifiques des composés poly-atomiques, la décroissance des chaleurs spécifiques avec la température) et enfin des problèmes théoriques comme celui de la stabilité des atomes au vu de leur structure « planétaire » allaient contribuer à l’avènement de la théorie quantique. Initiée en 1900 par les travaux de Max Planck (1858-1947), la théorie quantique bouleversa le paysage de la physique du XXe siècle. Les idées de Planck initialement développées pour expliquer le rayonnement thermique des corps (le problème du « corps noir ») seront reprises par Einstein (1879-1955) qui les appliquera à l’explication des chaleurs spécifiques de la matière contribuant ainsi au triomphe de la nouvelle physique des quanta. En 1911, l’année du premier Colloque Solvay, la communauté des physiciens prend acte de la révolution quantique et prononce définitivement le deuil de la physique classique. Cependant, l’explication de la supraconductivité était encore loin. Malgré une théorie quantique de la conduction proposée par Bloch (1905-1983) à la fin des années vingt, il faudra encore des décennies pour que la supraconductivité reçoive enfin une explication grâce à la théorie dite BCS (1957) du nom des américains Bardeen (1908-1991), Cooper (1930-) et Schrieffer (1931-) qui recevront le prix Nobel en 1972.

Aujourd’hui, la supraconductivité pose encore des défis considérables : la théorie BCS ne permet pas d’expliquer la supraconductivité « à haute température » découverte (1986) par l’allemand Bednorz (1950-) et le suisse Müller (1927-), prix Nobel 1997. Sa compréhension n’est pas qu’un enjeu purement scientifique. A des températures « élevées », au-dessus de la température d’ébullition (−195.8 °C) de l’Azote liquide d’utilisation courante, les matériaux supraconducteurs à haute température semblent enfin ouvrir la porte aux applications « grand public » et suscitent tous les espoirs pour construire la gestion de l’énergie de demain :

Des nouveaux états, des états quantiques de la matière

Revenons un instant en 1913. Affairée à l’étude de la supraconductivité dans les métaux, l’équipe d’Onnes n’examine pas de près les propriétés de l Hélium lui-même mais note en passant, sans l’approfondir, un comportement singulier de celui-ci au voisinage de la température de 2.18 Kelvin. Ce n’est que plus tard, en 1937, que d’autres vont réaliser qu’un autre phénomène remarquable montre là le bout de son nez, la « suprafluidité » de l’Hélium qui, à ces températures offre le spectacle étonnant d’un fluide sans viscosité remontant les parfois de ses récipients et suintant à travers.

Tout comme la supraconductivité, la superfluidité sera une dure noix à croquer pour les physiciens. Finalement, grâce aux efforts des meilleurs esprits de part et d’autre du rideau de fer, on parviendra à une explication satisfaisante de ces phénomènes : dans les deux cas ce sera le triomphe de la physique quantique. Elle seule peut expliquer la supraconductivité et la superfluidité qui peuvent être vues comme les manifestations de véritables nouveaux états de la matière (formation des paires de Cooper dans le cas de la supraconductivité, condensation de Bose-Einstein pour la suprafluidité).

Références

Sur l’histoire des conceptions de la chaleur  et de la matière

• Brush, Stephen G. (1976). The Kind of Motion We Call Heat: a History of the Kinetic Theory of Gases in the 19th Century. North-Holland, 1976.  Excellente histoire du développement des théories de la chaleur, de la thermodynamique et de la théorie cinétique des gaz.
• Brush, Stephen. (1983). Statistical Physics and the Atomic Theory of Matter. Princeton University Press. 1983. Brush approfondit les aspects atomistiques des théories statistiques de la matière et de la chaleur.
• Tom Shachtman, Absolute Zero and the Conquest of Cold. Houghton Mifflin, 1999.
• Robert Locqueneux, Histoire de la thermodynamique classique, De Sadi Carnot à Gibbs, Belin, 2009

Sur l’histoire de la supraconductivité

• Sven Ortoli et J. Klein, Histoire et légendes de la supraconductivité, Calmann-Lévy, 1989. Une histoire de sciences pas trop académique et une bonne vulgarisation.

• Dirk van Delft et Peter Kes, “The discovery of superconductivity”, Physics Today, septembre 2010. Excellent article sur les détails de la découverte d’Onnes et la suite de l’histoire.  doi:10.1063/1.3490499
• Documents sur le site dédié à la supraconductivité de l’American Institue of Physics, avec entre autres une interview de Robert Schrieffer, des souvenirs de Bardeen et un excellent article de l’historienne Lillian Hoddeson ; contient d’autres références.

Sur la suprafluidité

• Allan Griffin, “New light on the intriguing history of superfluidity in liquid ⁴He”, J. Phys.: Condens. Matter, vol. 21 (2009), 164-220. Un article qui présuppose déjà un certain niveau en physique.
• Sebastien Balibar, “The Discovery of Superfluidity”, Journal of Low Temperature Physics, Vol. 146 (2007). Comme ci-dessus.

Par Prof Jan Lacki Histoire et philosophie des sciences, Université de Genève

Compléments :

• Une discussion de la différence entre supraconductivité et mouvement perpétuel
• Une discussion avec un spécialiste sur les interactions entre les paires de Cooper

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