Généralités sur les matériaux supraconducteurs

Historique

La supraconductivité a été découverte en 1911 par H. Kamerlingh Onnes qui observa que le mercure refroidi à la température de l’hélium liquide (4,2 K) passe brusquement dans un état où il n’offre plus aucune résistance au passage du courant électrique (voir fig. 1).
Cette transition se manifeste par une chute brutale de la résistivité. Ce comportement a été ensuite observé pour d’autres métaux (Ti, V, Nb, Ta, Al, Ga, In… ), pour des composés intermétalliques et certains oxydes. Mais les températures critiques restent basses (23,3 K pour Nb3Ge, 13 K pour BaPb1-xBixO). Pendant près d’un demi-siècle les températures critiques restent sous la barre des 25 K. De nombreuses théories furent développées pendant cette période pour expliquer ce phénomène. Celles-ci prédirent même que la supraconductivité ne pouvait exister aux dessus de 30K. Aussi, en 1986, lorsque G. Bednorz et K.A. Müller découvrent un oxyde de lanthane, baryum et cuivre de formule La2-xBaxCuO4-y qui perdait sa résistance à 35 K, la surprise (et l’incrédulité) fut grande dans la communauté des chimistes et physiciens.
Une nouvelle génération de matériaux était née : les céramiques supraconductrices. Quelques mois plus tard en 1987, une nouvelle céramique (YBa2Cu3O7-y) à base d’yttrium (Y) de barium (Ba) et de cuivre (Cu) fut crée. La supraconductivité de cette dernière faisait plus que doubler la température critique connue : elle devenait supraconductrice en dessous de 93 K. Elle devint ainsi le premier matériau supraconducteur à une température supérieure à celle de l’azote liquide (77 K), beaucoup moins coûteux que l’hélium liquide utilisé pour refroidir les autres supraconducteurs « basse température ». Ainsi était né le premier matériau ‘haute température’ qui ne nécessitait que -180 C pour devenir supraconducteur.

Évolution des températures critique de supraconductivité

En remplaçant le baryum par du strontium et en introduisant du bismuth, on a réussi à élever la température critique jusqu’à 110 K. Le record actuel pour les supraconducteurs est détenu par un composé à base de Cuivre de Mercure et Thallium avec une température critique de 135 K.

Les oxydes de cuivre supraconducteurs

Dans ce TP nous nous intéressons à la synthèse d’oxydes de cuivre à valence mixte de structure de base YBa2Cu3O7. Les caractéristiques supraconductrices des phases YBa2Cu3O7-y (aussi appelées <123>) sont observées pour une valeur maximale de y voisine de 0,4. Pour 0,4 < y < 1 la supraconductivité disparaît.

Dans la structure pérovskite (type BaTiO3) le plus gros des cations métalliques (Ti) occupe le centre de la maille cubique, le plus petit (Ba) occupe chaque sommet du cube et les atomes d’oxygène le milieu des arêtes du cube. On peut aussi la décrire en prenant l’origine non pas sur les atomes de baryum mais sur ceux de titane pour mettre en évidence les octaèdres TiO6 (Fig. 4).
YBa2Cu3O7 est une pérovskite déficitaire en oxygène,. Des triples couches pérovskites lacunaires en oxygène, constituées de plans carrés CuO4 en sandwich entre des pyramides CuO5 sont reliées entre elles par des plans d’atomes d’yttrium (Fig. 4).
C’est la séparation des couches de polyèdres CuO5 par des couches d’ions yttrium qui donne à la structure son caractère bidimensionnel. Le degré d’oxydation moyen du cuivre est approximativement 7/3, il est obtenu par un mélange de Cu2+ et Cu3+