La supraconductivité suite 1

b. Maintenant , occupons nous des métaux.

Plus exactement, occupons nous de l'évolution de leur résistivité électrique avec la température.

Expérimentalement, on observe que la résistivité des métaux décroît avec la température. Cependant, aux très basses températures, très inférieures à la température ambiante, on observe un palier, appelé résistivité résiduelle ou plus simplement, résiduelle, d'autant plus faible que le métal est plus pur. Elle dépend aussi de sa structure microscopique, c'est à dire de la concentration de défauts. Ainsi, le cuivre écroui, qui contient beaucoup de défauts, présente une résistivité résiduelle beaucoup plus élevée que le cuivre recuit.

La question qui se posait était : que devient la résistivité d'un métal pur à T = 0 ?

Deux théories s'affrontaient ? Pour les uns, les plus nombreux, la résistivité devait s'annuler à T=0. Pour d'autres, dont Lord Kelvin (William Thompson), elle devait, au contraire devenir infinie.

 (source : document EPFL)

Pour trancher, il fallait disposer de très basses températures et de métaux très purs. Notons que par « métal pur », il faut entendre une pureté de 99,999 %, dite 5N, obtenue seulement par des moyens industriels. Avec le mercure, liquide à la température ordinaire, on peut même gagner deux ordres de grandeur par simple distillation et obtenir une pureté de 99,99999 %, (7N).

C'est ce métal que Kamerlingh Onnes décida d'étudier, en mesurant sa résistivité dans l'hélium liquide, à 4,2 K.

ET CE FUT LE COUP DE TONNERRE DE 1911.

Voici la courbe de résistance publiée par H. Kamerlingh Onnes pour le mercure (Comm. Phys. Lab. Univ. Leiden, 124c, 1911)

Elle présente un phénomène extraordinaire et totalement nouveau : à 4,2 K, la résistance chute brutalement et devient si faible qu'il est impossible de la mesurer.

H. Kamerlingh Onnes et G. Holst venaient de découvrir la supraconductivité. Noter le commentaire des auteurs, qui est un modèle d'honnêteté scientifique :

« A 4,3 K la résistance du mercure est tombée à 0,084 ohm c’est à dire 0,0021 fois sa valeur à 0°C. A 3K on a trouvé que cette résistance était inférieure à 3.10^-6 ohm….limite supérieure jusqu’à 1,5K. »

Ils n'écrivent pas que la résistance est nulle au-dessous de 4,2 K. Pourquoi cette prudence ?

C'est que le phénomène mesuré est absolument inattendu et inexpliqué et même incompréhensible. La supraconductivité est un phénomène quantique macroscopique, mais en 1908, elle la mécanique quantique n'a que trois ans et bien peu de physiciens la maîtrisent. Bien que H. Kamerlingh Onnes ait sollicité, sans grand succès, Einstein sur le sujet, il faudra attendre 1957 pour qu'une théorie microscopique complète voie le jour, celle de J. Bardeen, L. N. Cooper et J. R. Schrieffer (J. Bardeen, L. N. Cooper, and J. R. Schrieffer, Phys. Rev. 108, 1175–1204 (1957)).

Cette découverte est-elle le fruit du hasard ? Evidemment, non. Il suffit de lire ce qui précède pour s'en convaincre. Elle résulte de la conjonction de recherches bien précises sur les très basses températures et sur les propriétés électriques des métaux. C'est un bel exemple de sérenpidité. (La sérendipité est le fait de réaliser une découverte scientifique ou une invention technique de façon inattendue à la suite d'un concours de circonstances fortuit et très souvent dans le cadre d'une recherche concernant un autre sujet, c'est une découverte faite par le concours du hasard mais aussi de la sagacité, Wikipédia). 

G. Holst

Kamerlingh Onnes