6.11 Supraconductivité et effet Josephson

Accueil ／ Chapitre 6 : Domaine quantique

I. Phénomènes et questions ouvertes

Quand on refroidit suffisamment certains métaux ou céramiques, la résistance chute au-dessous du mesurable et un courant peut tourner des années sans décroître. Le champ magnétique appliqué est expulsé du volume, ne pénétrant qu’en tubes de flux quantifiés. Entre deux supraconducteurs séparés par une barrière isolante très mince, un courant stationnaire circule sans tension ; sous irradiation à haute fréquence, la tension prend des marches discrètes.

Ces signatures — résistance nulle, diamagnétisme parfait (avec pénétration quantifiée), supercourant à zéro biais et marches sous radiofréquence — posent trois questions simples : pourquoi la « friction » disparaît-elle en refroidissant ? pourquoi le champ n’entre-t-il qu’en quanta fixés ? comment un courant traverse-t-il un isolant, et pourquoi les micro-ondes découpent-elles des plateaux réguliers ?

II. Lecture EFT : paires d’électrons verrouillées en phase, canaux dissipatifs fermés, relais cohérent à travers une barrière

1. Appairer d’abord, recoudre la phase ensuite.
2. Dans l’EFT (Energy Filament Theory), l’électron est une boucle stable dont la couche externe interagit avec la mer d’énergie (Energy Sea) et le réseau cristallin. En refroidissant, les vibrations du réseau diminuent et, dans certains matériaux, ouvrent un « corridor de tension » plus lisse qui favorise la poursuite mutuelle : deux électrons s’apparient avec orientations opposées. L’appairage supprime ou abaisse de nombreux canaux de dissipation. En refroidissant encore, les phases externes des paires s’alignent et étendent un réseau de phase commun à l’échelle de l’échantillon — une véritable « moquette fluide ».
3. Pourquoi la résistance nulle : fermer collectivement les pertes.
4. La résistance ordinaire provient de multiples fuites d’énergie vers l’environnement (impuretés, phonons, rugosités). Une fois la moquette de phase déployée, les rides locales qui cassent la cohérence nucléent difficilement et le seuil de perte s’élève nettement. Tant que la sollicitation ne déchire pas la moquette, le courant ne rayonne pas d’énergie : on observe une résistance nulle.
5. Pourquoi l’expulsion et la quantification du flux : la phase refuse la torsion.
6. Pour rester lisse, la moquette de phase ne peut être torsadée arbitrairement par un champ magnétique. Des courants d’écran apparaissent en surface et rejettent le champ (expulsion de Meissner). Dans certains matériaux, le champ pénètre en tubes fins, chacun imposant un tour entier de la phase : c’est la quantification du flux. On peut voir chaque tube comme un noyau creux de tension que la phase enroule ; ils se repoussent et peuvent former des réseaux géométriques.
7. Pourquoi le courant Josephson : relais cohérent dans une fente quasi critique.
8. Deux moquettes de phase séparées par un isolant ultramince laissent une fente en état quasi critique. De part et d’autre, les phases peuvent se relayer de façon cohérente : non pas des particules qui « poussent » à travers, mais un pont de phase court cousu au milieu.
   • Si les deux côtés battent à l’unisson, le pont transmet la phase et un supercourant continu passe sans tension (Josephson continu).
   • Si les battements diffèrent — par une tension continue ou une radiofréquence appliquée —, l’écart de phase avance régulièrement ou se verrouille sur l’excitation, et le pont pompe le supercourant en cadence, ce qui donne une réponse alternative et des marches de tension sous irradiation.
9. Pourquoi l’idéal n’est pas partout : défauts et déchirures rouvrent les pertes.
10. Un courant trop grand, un champ fort, une température plus élevée, ou des sites d’ancrage pour les tourbillons quantifiés tirent sur la moquette, y ouvrent des trous et laissent fuir l’énergie : on observe un courant critique, des pics de pertes et des non-linéarités.

III. Configurations typiques

• Deux familles de supraconducteurs.
• Les uns expulsent presque totalement le champ mais cèdent brutalement au-delà d’un seuil ; les autres laissent entrer le flux par tubes, forment des réseaux de vortex à champ élevé et continuent de porter le courant. Cela traduit des tolérances différentes de la moquette de phase à la torsion magnétique.
• Anneaux supraconducteurs et courants persistants.
• Sur une boucle fermée, la phase doit faire un nombre entier de tours ; tant que rien ne la déchire, le courant persiste. Si le flux est non entier, le système saute spontanément au nombre entier le plus proche, créant des états discrets et stables.
• Jonctions tunnel et liaisons faibles.
• Dans une fente ultramince, un supercourant passe à tension nulle ; sous micro-ondes, la tension se verrouille en marches régulières, signe d’un verrouillage de phase externe.
• Anneaux parallèles : interféromètres.
• Deux ponts de phase en boucle recueillent des déphasages différents selon le flux appliqué ; le supercourant oscille périodiquement avec le flux — base des magnétomètres à haute sensibilité.

IV. Empreintes observables

• Chute abrupte à résistance nulle à une température critique.
• Diamagnétisme parfait ou réseaux géométriques de tubes de flux.
• Supercourant sans tension et courant critique bien défini.
• Marches de tension sous excitation radiofréquence (verrouillage de phase).
• Périodicité d’interférence dans les anneaux.
• Pincement et glissement des vortex : ancrage ⇒ pertes moindres mais courant critique plus élevé ; glissement ⇒ pics dissipatifs.

V. Concordance avec la description classique

• La théorie classique décrit la condensation des paires par un paramètre d’ordre macroscopique (amplitude complexe à phase). La résistance nulle vient d’un écoulement de phase sans dissipation, le diamagnétisme d’une phase qui refuse la torsion, la quantification du flux et les vortex du caractère entier des enroulements.
• L’EFT reformule les mêmes faits en géométrie tangible : paire d’électrons = enroulements appariés ; moquette de phase = réseau de phase commun à l’échantillon ; résistance nulle = fermeture collective des pertes ; quantification du flux = défauts topologiques à noyau creux ; effet Josephson = pont de phase court cousu à travers une fente quasi critique. Les deux langages concordent sur les phénomènes et les lois quantitatives ; l’EFT apporte un récit de « fils et mer » plus matériel.

VI. En résumé

La supraconductivité n’est pas la « perfection soudaine » des électrons. Elle procède par appairage, puis verrouillage de phase d’innombrables paires en une moquette :

• La moquette ferme les canaux de dissipation sous faible sollicitation : résistance nulle.
• Elle refuse les torsions arbitraires : expulsion du champ ou vortex quantifiés seulement.
• Entre deux moquettes, une fente quasi critique permet de coudre un pont de phase : le supercourant passe à tension nulle et, sous micro-ondes, se verrouille en marches régulières.

À retenir en une ligne : apparier, verrouiller la phase, relayer à travers la barrière — l’« effet » supraconductivité et Josephson tient dans l’enchaînement de ces trois gestes.