Dans la théorie de Bardeen, Cooper et Schrieffer (BCS) [1,3], la température critique T c est celle au-dessus de laquelle la densité de quasi-particules (paires de Cooper thermiquement dissociées) devient trop importante pour permettre un condensat supraconducteur stable. Si cette densité dépend de la valeur de la bande interdite supraconductrice Δ (ou gap), Δ est lui-même déterminé de manière auto-cohérente par la densité de quasi-particules. La température critique, T c = 1,13 hν D exp (-1/N(E F )V), est donc celle à laquelle Δ est réduit à zéro. L'exposant -1/N(E F )V provient de l'approximation de BCS, valable pour N(E F )V << 1, où l'interaction électron-phonon est une constante V pour des électrons dont l'énergie est comprise dans une bande de largeur hν D autour de E F , et nulle autrement. ν D est une fréquence typique des vibrations du réseau cristallin. Cette approximation ne se justifie pas pour les matériaux covalents, où le couplage électron-phonon λ el-ph est « fort ». λ el-ph est alors obtenu comme une intégrale sur les fréquences des phonons pertinents. Après insertion dans la théorie BCS, on a : T c = 1,13 hν D exp [-(1+λ el-ph )/(λ el-ph -μ*)], ou μ* est le potentiel de Coulomb « écranté ». Dans la limite de couplage faible, on retrouve λ el-ph ~ N(E F )V.
encadré 1Article disponible sur le site http://www.refletsdelaphysique.fr ou http://dx.doi.org/10.1051/refdp/201333004 ramener le haut de la bande σ au-dessus de E F (fi g. 2c). La conduction se trouve alors assurée à la fois par la bande π et par la bande σ. Comme elles sont intimement liées à l'alignement planaire précis des atomes B (ou C), les orbitales σ sont très « sensibles » aux vibrations de ces atomes. Par conséquent, elles donnent lieu à un couplage électron-phonon λ el-ph particulièrement fort et à une T c « anormalement » élevée (encadré 1). MgB 2 est ainsi le premier exemple d'une supraconductivité « multiple », forte en ce qui concerne les électrons de la bande σ, mais faible pour les électrons de la bande π.Cependant, MgB 2 n'est pas le premier exemple de système covalent supraconducteur ayant une T c (relativement) élevée. En effet, en 1995, une température critique de l'ordre de 8 K avait été découverte dans les clathrates de silicium dopés au baryum [4]. Les clathrates sont construits à partir de cages de silicium Si n (avec n = 20, 24, 28), qui partagent certaines de leurs faces (atomes marron de la fi gure 1d). Les atomes Si y conservent leur confi guration tétra-édrique sp 3 , formant des liaisons covalentes très directionnelles et localisées entre les atomes premiers voisins. C'est l'analogue en trois dimensions (sp 3 ) des liaisons planaires (sp 2 ) de MgB 2 . Dans les deux cas, les liaisons σ assurent la rigidité structurale et un couplage électron-phonon effi cace. Cependant, les clathrates de silicium sont semi-conducteurs, avec une bande interdite de l'ordre de 1,8 eV. Il faut introduire des « impuretés » dans ces matériaux (les « doper ») de manière à les rendre conducteurs. C'est la structure même des clathrat...