Applications

-Traduit par Mondo Agit-

Les aimants supraconducteurs font partie des électro-aimants connus les plus puissants. On les utilise pour les trains à sustentation magnétique, dans des machines pour la résonnance magnétique nucléaire dans les hôpitaux, et dans l’adressage du faisceau d’un accélérateur de particules. On peut également les utiliser pour une séparation magnétique lors de laquelle les particules magnétiques faibles sont extraites d’un fond de particules moins magnétiques ou pas magnétiques, comme dans les industries de pigments.

Les supraconducteurs ont également été utilisés pour construire des circuits digitaux et des filtres de radiofréquence et de micro-ondes pour des antennes-relais GSM.

Les supraconducteurs sont utilisés pour construire des jonctions Josephson, qui sont les blocs de construction des SQUID (de l’anglais Superconducting QUantum Interference Device), les magnétomètres connus plus sensibles. Une série de dispositifs Josephson ont été utilisés pour définir le volt dans le système international des unités (SI). En fonction de la modalité de fonctionnement, une jonction Josephson peut être utilisée comme détecteur de photons ou comme mélangeur. Le grand changement dans la résistance à la transition de l’état normal à l’état supraconducteur s’utilise pour construire des thermomètres dans des détecteurs de photons cryogéniques.

De nouveaux marchés apparaissent où l’efficacité relative, la taille et le poids des dispositifs basés sur les supraconducteurs de haute température sont supérieurs aux coûts supplémentaires qu’ils imposent.

Les applications futures prometteuses incluent des transformateurs à haut rendement, des dispositifs de stockage d’énergie, la transmission d’énergie électrique, des moteurs électriques (par exemple, la propulsion de véhicules comme les vactrains ou les trains à sustentation magnétique) et des dispositifs de lévitation magnétique. Cependant, la supraconductivité est sensible aux champs magnétiques en mouvement de sorte que les applications qui utilisent un courant alternatif (par exemple, les transformateurs) seront plus difficiles à élaborer que celles qui dépendent d’un courant continu.

Histoire de la supraconductivité

La découverte

-Traduit par Mondo Agit-

Au xixe siècle déjà, diverses expérimentations avaient été réalisées pour mesurer la résistance électrique à basse température. James Dewar a été l’un des pionniers en la matière.

Cependant, la supraconductivité n’a été découverte qu’en 1911, année au cours de laquelle le Hollandais Heike Kamerlingh Onnes a observé que la résistance électrique du mercure devenait brusquement nulle en-dessous d’une température de l’ordre de 4 K (-269°C) alors qu’on espérait qu’elle diminuerait graduellement jusqu’au zéro absolu. Pour l’ensemble de ses découvertes, et principalement pour son travail lié à la liquéfaction de l’hélium, il a reçu deux ans plus tard le prix Nobel de physique. Durant les premières années, le phénomène a été connu sous le nom de supraconductivité.

En 1913, on a découvert qu’un champ magnétique suffisamment grand détruisait également l’état supraconducteur, ce qui a mené à la découverte trois ans plus tard de l’existence d’un courant électrique critique.

Étant donné qu’il s’agit d’un phénomène principalement quantique, il n’y a pas eu de grandes avancées dans la compréhension de la supraconductivité car la compréhension et les outils mathématiques dont disposaient les physiciens de l’époque n’étaient pas suffisants pour affronter le problème avant les années 1950. C’est pourquoi, la recherche a jusque là été simplement phénoménologique, comme par exemple la découverte de l’effet Meissner en 1933 et sa première explication grâce à la résolution de l’équation de London deux ans plus tard par les frères Fritz et Heinz London.

Les théories principales

Les plus grandes avancées dans la compréhension de la supraconductivité ont eu lieu dans les années 1950 : la théorie Ginzburg-Landau a été publiée en 1950 et la théorie BCS a été proposée en 1957.

La théorie BCS a été proposée par Bardeen, Cooper et Schrieffer (d’où les initiales BCS). En 1972, ils obtinrent le prix Nobel de physique pour leur travail. Cette théorie a pu être développée grâce à deux pistes fondamentales proposées par des physiciens expérimentaux au début des années 1950 :

  •    la découverte de l’effet isotopique en 1950 (qui a relié la supraconductivité et la structure cristalline),
  •    et la découverte de Lars Onsager en 1953 comme quoi les porteurs de charge sont en réalité des paires d’électrons appelées paires de Cooper (résultat d’expériences sur la quantification du flux magnétique qui passe au travers d’un anneau supraconducteur).

La théorie Ginzburg-Landau est une généralisation de la théorie de London développée par Vitaly Ginzburg et Lev Landau en 1950. Bien que cette théorie soit arrivée sept ans avant la théorie BCS, les physiciens d’Europe occidentale et des États-Unis ne lui ont pas prêté beaucoup d’attention à cause de son caractère plus phénoménologique que théorique, en plus du manque de communication de cette époque entre les deux côtés du rideau de fer. Cette situation a changé en 1959 quand Lev Gor’kov a démontré, dans un article qui a également été publié en anglais, que l’on pouvait s’appuyer avec exactitude sur la théorie microscopique.

En 1962, Brian David Josephson a prédit qu’il pouvait y avoir du courant électrique entre deux supraconducteurs même s’il y avait une petite séparation entre eux, à cause de l’effet tunnel. Un an plus tard, Anderson et Rowell ont confirmé cela expérimentalement. L’effet prendra le nom d’effet Josephson et fait partie des phénomènes les plus importants des supraconducteurs, vu qu’il possède de nombreuses applications, de la magnétoencéphalographie à la prédiction de tremblements de terre.

Les supraconducteurs de haute température

Après quelques années de stagnation relative, en 1987, Bednorz et Müller ont découvert qu’une famille de matériaux céramiques, les oxydes de cuivre avec une structure de pérovskite, étaient supraconducteurs à des températures critiques supérieures à 90 kelvin. Ces matériaux, connus comme supraconducteurs de haute température, ont relancé l’intérêt pour la recherche de la supraconductivité. En tant que thème de la recherche pure, ces matériaux constituent un nouveau phénomène qui ne s’explique que par le fait qu’il fait passer les électrons par couples ou ” paires de Cooper “. De plus, comme l’état supraconducteur persiste jusqu’à des températures plus maniables, supérieures au point d’ébullition du nitrogène liquide, de nombreuses applications commerciales seraient viables, surtout si on découvrait des matériaux avec des températures critiques encore plus grandes.

Comportement électrique

L’apparition du diamagnétisme parfait vient de la propriété du matériau à développer des supracourants. Ces courants sont des courants d’électrons qui ne perdent pas d’énergie, afin d’être maintenus éternellement sans obéir à l’effet Joule responsable de pertes d’énergie par génération de chaleur. Les courants créent l’intense champ magnétique nécessaire pour alimenter l’effet Meissner. Ces mêmes courants permettent de transmettre de l’énergie sans perte, ce qui présente l’effet le plus spectaculaire de ce type de matériau. Comme la quantité d’électrons supraconducteurs est finie, la quantité de courant qui peut soutenir le matériau est limitée. C’est pourquoi il existe un courant critique à partir duquel le matériau cesse d’être supraconducteur et commence à dissiper de l’énergie.

Pour les supraconducteurs de type II, l’apparition de fluxons provoque, même pour des courants inférieurs à la température critique, la détection d’une dissipation d’énergie à cause du choc des vortex avec les atomes du réseau.

Comportement magnétique

Dire que les propriétés d’un supraconducteur se limitent à une conductivité infinie n’a pas de sens thermodynamique. En effet, un matériau supraconducteur de type I est parfaitement diamagnétique, ce qui empêche le champ de pénétrer dans le matériau. Cet effet est appelé l’effet Meissner.

Le champ magnétique permet de distinguer deux types de supraconducteurs : d’une part les supraconducteurs de type I qui repoussent tout champ magnétique extérieur (ce qui entraîne un apport d’énergie élevé et implique la rupture brusque de l’état supraconducteur si la température critique est dépassée), et d’autre part, les supraconducteurs de type II, qui sont des supraconducteurs imparfaits, c’est-à-dire que le champ pénètre au travers de petites canalisations appelées vortex Abrikosov, ou fluxons. Ces deux types de supraconducteurs différents ont été distingués par Lev Davidovitch Landau et Alekseï Alekseïevitch Abrikossov.

Quand on applique un champ magnétique externe faible sur un supraconducteur de type II, il le repousse parfaitement. Si on l’augmente, le système devient instable et l’apparition de vortex est nécessaire pour diminuer son énergie. Le nombre de vortex augmente en formant des réseaux qui peuvent être observés grâce à des techniques adéquates. Quand le champ est suffisamment grand, le nombre de défauts est si élevé que le matériau cesse d’être un supraconducteur. C’est le champ critique qui fait qu’un matériau cesse d’être supraconducteur et ce champ dépend de la température.

La supraconductivité

La supraconductivité est la propriété intrinsèque de certains matériaux à conduire un courant électrique sans résistance ni perte d’énergie dans certaines conditions. Ce phénomène a été découvert par le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes le 8 avril 1911 à Leyde.

La résistance électrique d’un conducteur métallique diminue progressivement quand la température baisse. Cependant, pour les conducteurs ordinaires tels que le cuivre et l’argent, les impuretés et les autres défauts produisent une valeur limite. Par contre, la résistance d’un supraconducteur chute brusquement jusqu’à atteindre zéro lorsque le matériau est refroidi en-dessous d’une température critique. Un courant électrique qui circule dans une spirale de câble supraconducteur n’a pas nécessairement besoin d’une source d’alimentation. Tout comme le ferromagnétisme et les raies spectrales atomiques, la supraconductivité est un phénomène de la mécanique quantique.

De nombreux matériaux sont supraconducteurs, comme des éléments simples tels que l’étain et l’aluminium, divers alliages métalliques et certains semi-conducteurs fortement dopés. Normalement, les métaux nobles comme le cuivre et l’argent ne sont pas supraconducteurs, tout comme la majorité des métaux ferromagnétiques. Cependant, dans certains cas, l’or est considéré comme un supraconducteur de par ses propriétés et les mécanismes mis en place.