NOTICE: Travaux pratiques avancés Supraconductivité II Section de physique – FSB

1

Notice TPA

Supraconductivité II

R. Sanjinés Date: 15.09.2014

NOTICE: Travaux pratiques avancés Supraconductivité II Section de physique – FSB

2

SUPRACONDUCTIVITE II I Introduction Les supraconducteurs sont des matériaux définis par une résistance zéro en dessous d’une certaine température critique Tc et, en présence d’un champ magnétique, par l’exclusion du champ de l’intérieur vers l’extérieur de l’échantillon à des températures T ≤ Tc. L’exclusion totale du flux magnétique à l’intérieur d’un supraconducteur est l’effet Meissner, donc la supraconductivité peut être vue comme une transition de phase avec un diamagnétisme parfait (absence d’induction magnétique dans les champs faibles). Il existe deux différents types de supraconducteurs. Les supraconducteurs dits « du type I » qui se trouvent au-dessous de la température critique dans l’état Meissner en présence d’un champ magnétique faible HC1 ne dépassant jamais 10 mT. Par contre les supraconducteurs « du type II » peuvent se trouver soit dans l’état Meissner soit dans l’état mixte au-dessous de la température critique. Dans l’état mixte le champ magnétique pénètre l’échantillon localement, sous forme de « lignes de flux » isolées. Ces lignes s’appellent vortex et à l’intérieur desquels le supraconducteur est dans l’état normal. L’état mixte peut supporter des champs critiques de l’ordre de 50-100 T. Pour une lecture d’introduction à la supraconductivité, il est recommandé de lire les ouvrages indiqués dans les références [1-4].

Fig.1 Diagramme de phase H-T d’un supraconducteur de type II et allures du champ magnétique et de la densité de

paires de Copper au voisinage d’un vortex. L’objectif de ce TP est de mieux comprendre le phénomène de la supraconductivité en observant et en étudiant quelques phénomènes physiques simples tels que : A) la transition métal-supraconducteur lors des mesures de résistivité en fonction de la température ρ=ρ(T), B) la caractéristique I-V d’un circuit électrique composé d’une jonction S-I-S (SQUID), et C) les changements de polarisation d’un faisceau de lumière polarisée incidente sur la surface d’un supraconducteur en présence d’un champ magnétique B (effet Faraday et effet Meissner). II Partie expérimental II.1) Mesures de ρ=ρ(T). Les étudiants doivent premièrement synthétiser un échantillon de YBa2Cu3Ox supraconducteur à partir d’un mélange de poudres de Y2O3, BaCO3 et CuO. Après avoir fabriqué une ou deux pastilles (diamètre 7 mm, épaisseur environ 2 mm), la synthèse du supraconducteur se fait à haute température (930 °C) dans un four chauffé à l’aire. La phase tétragonal supraconductrice YBa2Cu3Ox est obtenue seulement après un cycle thermique bien définit. La qualité de l’échantillon supraconducteur dépende étroitement du traitement thermique (recuit à différentes températures et temps). Une fois la fabrication terminée, l’état supraconducteur de l’échantillon est testé par

NOTICE: Travaux pratiques avancés Supraconductivité II Section de physique – FSB

3

lévitation (effet Meissner). Si l’expérience n’est pas concluante, refaire le recuit une ou deux fois. En suite il faut fixer l’échantillon sur la canne de mesure basse température et faire les contacts électriques selon la configuration «4 points » type van der Pauw. Faire des mesures de résistivité ρ=ρ(T) pour déterminer la température critique Tc de transition. Les mesures se font sans champ magnétique (B=0) et en présence d’un champ magnétique (B≠0).

Fig.2 Résistivité en fonction de la température d’un échantillon the YBaCuO .

II.2) Effet Josephson et SQUID. Dans l’état supraconducteur les électrons de conduction se regroupent en paires appelés « paires de Cooper ». On peut fabriquer des jonctions S-I-S (supra-isolant-supra) ou S-N-S (supra-normal-supra). Si la couche Isolant ou Normal qui sépare les deux matériaux supraconducteurs est mince, on peut observer un courant électrique non nul entre les deux supraconducteurs (certaines paires de Cooper traverser la jonction par effet tunnel (phénomène quantique), c’est effet Josephson. L’effet Josephson est à la base de plusieurs applications pratiques de la supraconductivité. Un dispositif performant et simple à fabriquer est le SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Le SQUID (lire notice Mr SQUID, ref [5]) est composé de deux jonctions Josephson reliées en parallèle par une connexion supraconductrice. L’ensemble forme un anneau supraconducteur. Lorsqu’un flux magnétique externe extΦ traverse l’anneau un courant supra-conducteur est induit. Ce courant supplémentaire circule dans l’anneau du SQUID. Le flux magnétique généré par ce courant est tel que le flux effectif à travers le SQUID est quantifié.

Fig.3 Courbes I-V caractéristiques d’un SQUID aux T ≤ Tc

Expériences proposées (lire aussi la Notice TPA : SQUID et Effects Josepson): a) Mesures de la résistivité et de la température de transition supraconductrice b) Etudier les caractéristiques du supraconducteur en mode I-V et V-Φ

NOTICE: Travaux pratiques avancés Supraconductivité II Section de physique – FSB

4

c) Evolution du courant critique en fonction de la température. d) Mesure inductive de la transition supraconductrice d’un échantillon supraconducteur. C) Visualisation des vortex. Pour la dernière manipulation on utilise un microscope optique adapté l’observation de l’effet Faraday. L’effet Faraday décrit l’interaction entre la lumière polarisée et un champ magnétique dans un matériau. La polarisation est soumise à une rotation proportionnelle au champ magnétique. Cette angle de rotation est donnée par : VdB=θ où V est la constante de Verdet, d la distance parcourue par la lumière dans le matériau et B le champ magnétique. Dans notre dispositif d est deux fois l’épaisseur de l’indicateur, étant donné que la lumière réfléchie fait double trajet à travers l’indicateur. Comme d et V restent constants, on peut constater que l’angle de déviation est proportionnel à B. Ainsi toute variation de l’intensité locale de la lumière vue par la caméra est proportionnelle à la variation local du champ B due soit à l’exclusion du champ lors de la transition supraconductrice soit aux déplacements de vortex à T< Tc en fonction de variation de l’intensité du champ magnétique appliquée.

Fig.4 Schéma du montage expérimental, détails de l’effet Faraday et du montage du dispositif indicateur-échantillon. En

bas, images de l’échantillon à T<Tc avec et sans champ magnétique.

Référence : [1] High Temperature Superconductivity , Ed by J. W. Lynn, 1990 Springer-Verlag, NY. ISBN 3-540-96770 [2] High Temperature Superconductivity: An Introduction, G. Burns, 1992 Academic Press, Inc. ISBN 0-12-146090-8 [3] Supraconductivité. Introduction, Ph. Mangin-Rémi Kahn, 2013 EDP Sciences. ISBN 978-2-7598-0657-7 [4] Introduction toSsuperconductivity and High Tc Materials, M. Cyrot and D. Pavuna, 1992, World Scientific Publishing Co. ISBN 9810201435 [5] STAR Cryoelectronics. Mr SQUID User’s Guide, version 6.2.2. USA

B=0 B≠0