3) Théorie B.C.S


a/ Principe des paires de Cooper

   Ce principe explique le mode de déplacement des électrons dans un matériau supraconducteur.

   Les électrons se déplacent par paires. Sur le schéma ci dessus, la paire de Cooper est constituée des deux électrons du milieu. On s'aperçoit que lorsqu'il se déplace, le premier électron modifie légèrement la position des ions situés sur son parcours. Cette distorsion est appelée un phonon, qui est en réalité une petite zone chargée positivement. Le second électron de la paire, situé "derrière" le premier, sera attiré par ce phonon, ce qui entrainera son déplacement.
   Chaque électron étant à la foie le premier électron de la paire de cooper précédent et le second de la paire suivante, les électrons s'attirent tous mutuellement dans le même sens. C'est la raison pour laquelle il est possible de créer des courants permanents dans des boucles de supraconducteurs (cf: applications des supraconducteurs).

b/ Structure des supraconducteurs :

   Structure microscopique :

   Les supraconducteurs à hautes températures ont une structure fortement anisotrope, c'est à dire qu'ils ne conduisent pas l'électricité de la même façon selon le plan considéré. On peut les assimiler à un empilement de couches formant ainsi un réseau cristallin comportant deux types de plans l'un suivant les couches d'atomes identiques (ab) et un autre lui étant perpendiculaire(c).

   Le plan c est composé de mailles élémentaires qui définissent le nom du supraconducteur. Ces mailles sont elle-même composées de plusieurs couches d'oxyde de cuivre CuO2 séparées par des atomes de calcium ou d'yttrium. Ces couches sont intercalées entre des structures constituées d'atomes métalliques, terreux, et de l'oxygène qui constituent les réserves de charges positives apportant l'énergie nécessaire à la formation des paires de Cooper. D'autres couches isolantes (à base de bismuth, de thallium et de mercure) emprisonnent le flux d'électron dans le plan ab dont la densité de courant critique est très largement supérieure à celle des plans c.

   Structure macroscopique :

   Les supraconducteurs à hautes températures, ayant une structure fortement anisotrope, pour obtenir des performances maximums, il faut que le réseau cristallin soit uniforme. Autrement dit, si un échantillon est polycristallin, les plans ab de chacun des grains qui le composent ne seront pas alignés et donc le courant ne se propagera pas de façon uniforme. D'où une perte de performance. Le fait qu'il existe des joints entre les grains constitue un autre facteur de baisse de performance. Ces joints constituant des jonctions Josephson sont appelés jonctions faibles. Pour cette raison, les matériaux supraconducteurs doivent êtres quasiment monocristallins (constitués d'un seul bloc dont le plan ab est parfaitement régulier).

c/ Effet Meissner

   L'effet Meissner est l'une des propriétés des matériaux supraconducteurs. Elle existe chez tous les types de supraconducteurs.
   Le matériau dans son état supraconducteur est en effet diamagnétique : il repousse tous les champs magnétiques. Ce phénomène, bien qu'étrange, à une explication concrète tout à fait valable :
Le champ magnétique proche du supraconducteur induit des supercourants dans une très fine épaisseur "lambda" à la surface du supraconducteur. Ces supercourants induisent eux même des champs magnétiques de direction opposée aux premiers.
   Une expérience simple montre parfaitement cette répulsion. En déposant un aimant sur une plaque supraconductrice et en la refroidissant jusqu'à une température inférieure à Tc, on observe alors que l'aimant rentre en lévitation au dessus du supraconducteur.