1. Vaincre l'énergie thermique :
À des températures plus élevées, l’énergie thermique (l’énergie associée au mouvement aléatoire des atomes et des électrons) a tendance à perturber la formation et le maintien des paires de Cooper. Ces paires de Cooper sont des paires d'électrons qui se forment grâce à des interactions attractives et sont responsables du transport sans perte du courant électrique dans les supraconducteurs. L'énergie thermique peut briser ces paires de Cooper, entravant ainsi la supraconductivité. À mesure que la température diminue, l’agitation thermique diminue, ce qui facilite le maintien des paires de Cooper et l’apparition de la supraconductivité.
2. Interactions électron-phonon :
Dans les supraconducteurs conventionnels, l’interaction entre les électrons et les vibrations du réseau (phonons) joue un rôle crucial dans la formation des paires de Cooper. Ces interactions électron-phonon génèrent une force attractive entre les électrons, leur permettant de surmonter leur répulsion coulombienne mutuelle et de former des paires. Cependant, l’efficacité de ces interactions dépend de la température. À des températures plus élevées, les vibrations du réseau sont plus intenses, entraînant une diffusion accrue des électrons et une réduction des interactions entre électrons et phonons. Cet affaiblissement du couplage électron-phonon rend plus difficile l’obtention de la supraconductivité.
3. Théorie BCS et écart énergétique :
La théorie BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer), qui fournit l'explication microscopique de la supraconductivité conventionnelle, prédit que l'état supraconducteur est caractérisé par un écart énergétique (Δ) inférieur à l'énergie de Fermi. Cet écart énergétique représente la quantité minimale d’énergie nécessaire pour briser une paire de Cooper et exciter le système hors de son état fondamental supraconducteur. À des températures plus élevées, les fluctuations thermiques peuvent fournir suffisamment d’énergie pour combler cet écart énergétique, conduisant ainsi à la destruction de la supraconductivité. À mesure que la température diminue, les fluctuations thermiques deviennent moins énergétiques, ce qui rend plus difficile la rupture des paires de Cooper et améliore ainsi la stabilité de l'état supraconducteur.
4. Température critique (Tc) :
Chaque supraconducteur a une température critique caractéristique (Tc) au-dessus de laquelle il perd ses propriétés supraconductrices et passe à l’état normal non supraconducteur. Tc représente la température maximale à laquelle la supraconductivité peut être maintenue. La valeur de Tc varie considérablement selon les différents supraconducteurs, allant de quelques Kelvin (K) à des températures plus élevées. Plus la température critique est élevée, plus le supraconducteur est résistant aux perturbations thermiques, ce qui lui permet de présenter une supraconductivité à des températures relativement plus élevées.
Ces facteurs expliquent collectivement pourquoi les supraconducteurs nécessitent généralement de basses températures pour présenter leurs propriétés caractéristiques. Atteindre la supraconductivité à des températures plus élevées reste un domaine de recherche actif et recèle un potentiel important pour diverses applications technologiques.
