Les propriétés électroniques générales des cuprates

 Propriétés fondamentales des supraconducteurs

Résistance électrique nulle

En l’absence de champ magnétique extérieur, la résistivité électrique d’un matériau supraconducteur chute brutalement à zéro quand il est refroidi à une température plus basse que la température critique TC. Cette propriété physique est une caractéristique du matériau supraconducteur, figure I.3. En appliquant un fort champ magnétique externe, la température critique baisse et le supraconducteur peut perdre cette propriété (résistivité nulle) [16]. La phase supraconductrice est stable en dessous de TC. La phase normale au dessus de TC possède généralement les propriétés d’un métal ordinaire La courbe de résistivité en fonction de la température d’un supraconducteur comporte cinq zones caractéristiques comme le montre la figure. I.4. 1. T < TC, offset : Le matériau (échantillon) est entièrement dans l’état supraconducteur ; 2. T =TC, offset : Début de la transition résistive (ρ(T) = 0 ou 10% de la valeur à l’état normal avant la transition suivant les définitions) ; 3. TC, offset < T < TC, onset : L’échantillon est dans un état intermédiaire entre l’état supraconducteur et l’état normal ; On observe donc une largeur de transition ΔT = (TC, onset –TC, offset) qui peut caractériser la qualité de la connexion des grains pour les matériaux polycristallins ;  4. T =TC, onset : Disparition de la supraconductivité (température de début de la transition ou température correspondant à 90% de la valeur à l’état normal avant la transition suivant les définitions); 5. T >TC, onset : Comportement métallique ou normal de l’échantillon. La largeur de transition ΔT est aussi sensible aux imperfections cristallines (impuretés, joint de grains, précipités…). Ainsi le pied de la transition (valeurs proches de TC, onset) s’élargit en présence d’hétérogénéités.

Effet Meissner ou diamagnétisme parfait

En 1933 W. Meissner et R. Oschenfeld [11] découvrirent que lorsqu’un supraconducteur est refroidi au dessous de sa température critique TC en présence d’un faible champ magnétique extérieur H inferieur à un champ HC caractéristique du matériau, celui-ci est expulsé du matériau. De la même façon, si l’on refroidi le supraconducteur puis en applique un faible champ magnétique, les lignes du champ ne pénètrent pas dans le matériau. Le champ magnétique d’induction B à l’intérieur du matériau est donc nul (figure 5).Cette caractéristique appelée «effet Meissner » est expliquée par l’apparition de super-courants à la surface du matériau qui créent un champ magnétique 𝐵𝑆 ⃗⃗⃗⃗ qui s’oppose à celui du champ magnétique extérieur𝐵𝑎 ⃗⃗⃗⃗ et le repousse. Ce comportement montre le caractère inhabituel des supraconducteurs par rapport aux conducteurs parfaits. Les matériaux qui présentent cette propriété sont donc des diamagnétiques parfaits.

Paramètres critiques d’un supraconducteur

L’état supraconducteur non dissipatif est défini par trois facteurs très importants : la température critique (TC), le champ critique (HC), et la densité de courant critique (JC). Chacun de ces paramètres dépend des deux autres. Le maintien de l’état supraconducteur exige que le champ magnétique et la densité de courant, aussi bien que la température, demeurent endessous des valeurs critiques qui dépendent du matériau. Le diagramme de phase de la figure I.7, montre le rapport entre ces paramètres L’aire délimitée lorsque l’on prend en compte les trois paramètres est appelée « Surface critique ». En partant de cette surface vers l’origine, le matériau est supraconducteur. Lorsque l’on se trouve dans les régions en dehors de cette surface, le matériau est dans un état normal ou mixte. Quand les électrons forment des paires de Cooper, ils peuvent partager le même état d’énergie. Ceci donne comme conséquence, un état inférieur d’énergie pour le supraconducteur.

Longueurs caractéristiques

 Des valeurs plus élevées de HC et de JC dépendent de deux paramètres importants qui influencent la minimisation d’énergie, la profondeur de pénétration de London λL et la longueur de cohérence ζ. Ces deux longueurs caractéristiques déterminent la plupart des propriétés des supraconducteurs.