En quoi consistent les superconducteurs ?
Découverte du phénomène
La supraconductivité est un phénomène découvert en 1911 par le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes. En refroidissant un échantillon de mercure jusqu'à 4 degrés Kelvin (-273,16ºC est la température de 0 K), il a réalisé que la résistance électrique du matériau a disparu brusquement. Autrement dit, le mercure est comme tout autre conducteur électrique conventionnel à des températures supérieures à 4 K, mais quand il descend en dessous de la « température critique » de 4 K, il ne pose aucun obstacle au passage du courant électrique, il est dit être un super-conducteur.
Le même phénomène s'est produit avec d'autres métaux. Par exemple, le plomb a une température critique de 7,2 K, l'étain de 3,7 K, le niobium de 9,2, etc. Depuis les années 1950, les alliages métalliques ont également atteint la supraconductivité: Par exemple en alliage Nb3Sn (18 K) et en alliage Nb 3 Ge (23 K).
Cependant, il faut garder à l'esprit qu'à basse température tous les matériaux ne sont pas super-conducteurs. Par exemple, le cuivre, étant un bon conducteur à température ambiante, mais à des températures très basses n'est pas un superconducteur et il en va de même pour presque tous les isolants et semi-conducteurs.
Supraconductivité ces derniers temps
Après avoir découvert le phénomène au début du siècle, les physiciens ont exposé toute leur première théorie en 1957. La première application a été atteinte dans les années 1960, dans des aimants supraconducteurs produisant des champs magnétiques de haute intensité (actuellement utilisés dans de nombreux appareils de technologie de pointe, machines à résonance magnétique, accélérateurs de particules, etc.). ).
En 1986, la nécessité de températures très basses a été abandonnée. Même si jusqu'alors la température critique la plus élevée était de 23K, l'élévation de limite jusqu'à 125K a beaucoup changé. C'est pourquoi, à partir de 1986 dans les laboratoires, ce type de fièvre de recherche a occupé des personnes travaillant en supraconductivité, système d'accumulation d'électricité, train de lévitation magnétique, ordinateur de supraconducteurs, etc. pour obtenir. Plus de 18.000 scientifiques ont publié ces six dernières années dans ce domaine.
Théorie de la supraconductivité
En 1957, les Américains John Bardeen, Leon Cooper et John Schrieffer publièrent une théorie sur tout le phénomène, appelée «BCS».
Pour montrer le contenu de la théorie et comprendre ce qui arrive au super-conducteur, de sorte que nous disons quelque chose de l'environnement. Comme toute autre matière, le solide est formé d'atomes et l'atome a un noyau tournant autour des électrons.
Le noyau d'un atome de cuivre, par exemple, possède 29 protons (ou une charge électrique positive) et 34 ou 36 neutrons en fonction du type d'isotope. Dans un atome de cuivre isolé, 29 électrons (ou charge électrique négative) tournent autour du noyau en couches. L'atome en général est électriquement neutre en lui-même, car il a autant de protons que d'électrons.
Cependant, dans un échantillon de cuivre commun, les atomes ont des particularités. D'une part, ils sont régulièrement alignés entre eux formant un réseau cristallin, et d'autre part chaque atome est ionisé, c'est-à-dire que l'un de ses électrons est délocalisé dans le réseau. En outre, ces électrons qui sont lâches peuvent circuler librement dans un tube comme les fluides. Ainsi, si ce matériau est connecté aux bornes de la pile ou à l'alternateur, cet ensemble d'électrons commence à fonctionner en formant un courant électrique.
Cependant, si on observe avec précision le passage des électrons dans le conducteur commun, on observe que chaque électron a un comportement individuel. Pendant son parcours, il heurte et frotte les ions du réseau cristallin. Il perd ainsi une partie de son énergie et émet de la chaleur. À l'échelle macroscopique, on dit que le matériau oppose la résistance au passage du courant.
Au superconducteur, cette résistance disparaît parce que les électrons perdent leur comportement individuel. Chacun attire les ions positifs du réseau quand il se déplace et ceux-ci à leur tour attirent un autre électron. Ce lien entre les deux électrons génère des paires d'électrons qui ne peuvent pas se briser à des températures très basses. Les deux électrons du couple vont à la fois, bien que la distance entre les deux soit relativement grande (des milliers d'angström; angströma = 10 -10 m). Dans un lieu de matériel supraconducteur, en outre, il ya des millions de paires d'électrons.
Le résultat est surprenant. Dans le superconducteur, le courant électrique n'est pas formé d'électrons, mais de paires d'électrons. C'est la différence fondamentale, car les comportements quantiques de ces objets sont différents. Les couples peuvent se regrouper dans une même situation de groupe en formant une sorte de fluide supraconducteur dans lequel il n'y a ni chocs ni obstacles pour les électrons individuels.
Bardeen, Cooper et Schrieffer ont donné cette image simple en deux étapes dans le langage mathématique de la physique des solides. Dans un premier temps, en interaction avec le réseau cristallin, des paires d'électrons seraient formées et dans le second elles se condenseraient au même état de groupe.
Évolution de la température critique
Un grand obstacle pour les surconducteurs est la nécessité d'être à des températures très froides pour pouvoir fonctionner. Jusqu'en 1986, des températures allant jusqu'à 23K (-250ºC) étaient nécessaires pour détecter le phénomène de supraconductivité,
ce qui obligeait à utiliser des systèmes coûteux de refroidissement à hélium liquide.
Dans les années 1986 et 1987, les chercheurs Alex Muller et Georg Bednorz ont détecté la supraconductivité à des températures critiques beaucoup plus élevées dans les laboratoires d'IBM à Zurich. 90 K et 125 K a augmenté la température de marque critique avec des oxydes de cuivre. Grâce à cela, vous pouvez aujourd'hui travailler dans une technologie d'azote liquide plus économique, mais il a également eu d'autres effets. Et c'est que les chercheurs volent fou pour obtenir une supraconductivité à température ambiante. Quelle est la situation actuelle ?
Pour répondre à cette question, il est nécessaire de clarifier quatre points. Il faut d'abord préciser comment les matériaux supraconducteurs sont obtenus; deuxièmement, ce que nous savons de leur structure; troisièmement, comment la supraconductivité à haute température est expliquée et enfin en quoi consistent les applications.
Obtention de matériaux
Les matériaux supraconducteurs peuvent être obtenus assez facilement par synthèse. Pour obtenir YB 2 Cu 3 O 7 (oxyde de baryum, itrium et cuivre), par exemple, les composants doivent être dosés dans la proportion indiquée dans la formule. Les matériaux sont moulés et la poussière chauffe jusqu'à 1000 °C. Ils obtiennent de petits grains de verre qui sont rôtis à chaud et restent collés les uns aux autres.
Cependant, dans la procédure d'obtention de ces matériaux interviennent de nombreux facteurs et il a été possible que le composé de la même formule (Tl 2 Ba 2 CuO 6) ne soit pas supraconducteur pour les uns et ait une température critique de 90 K pour les autres. Par la suite on a pu observer que les conditions de synthèse sont d'une importance vitale dans les caractéristiques des composés.
Structure stratifiée
Les composés trouvés à partir de 1986 présentent une structure stratigraphique avec de nombreux défauts. Considérez l'exemple du composé YB 2 Cu 3 O 7 mentionné ci-dessus. La clé de cette structure est la couche formée par deux plans de CuO 2, dans lequel chaque atome de cuivre est combiné avec deux atomes d'oxygène par des liaisons chimiques. Ces deux plans de CuO 2 sont séparés par des atomes d'itrium. L'ensemble, pour sa part, constitue la couche qui constitue le siège de la supraconductivité. Entre deux couches supraconductives, une couche normale est intercalée avec des chaînes de CuO x (entre x 0 et 1), des atomes de baryum et d'oxygène. Dans l'ensemble, les couches supra-conductrices et conventionnelles sont donc intercalées.
Le rôle des couches communes n'est pas encore décidé. Certains considèrent qu'il s'agit d'un réservoir de charge pour la fourniture de super-conducteurs. D'autres croient, cependant, que par sa proximité, cette couche devient également super-conducteur. Cependant, le problème n'est pas encore résolu.
En outre, les erreurs dans ces composés sont très discutables. Il peut s'agir d'erreurs ponctuelles (par exemple, qu'un atome d'hydrogène soit insuffisant ou excessif à un point particulier du réseau), mais elles peuvent aussi être étendues (une erreur dans la rotation des couches ou un ensemble d'atomes non répartis homogène). Il a été prouvé que le rôle de la pénurie d'oxygène est très important, car l'absence de l'un ou l'autre atome renforce la supraconductivité. On ne sait pas dans quelle mesure les couches et les défauts structurels influencent le phénomène.
Mécanisme de supraconductivité
Lorsqu'on leur demande ce sujet, les physiciens font d'abord référence au désordre. On parle ensuite d'abondance pour expliquer la supraconductivité à haute température. En réalité, les physiciens ignorent le mécanisme de la supraconductivité à haute température critique. Et c'est qu'ils ont inventé de nombreux modèles pour exprimer le phénomène.
Des phénomènes étranges ont été détectés dans les essais réalisés depuis 1987 par des électrons porteurs de courant électrique, comme de petites distances entre les électrons de la paire (des dizaines d'angström, tandis que dans le modèle classique BCS ils sont cent mille fois plus grands). J.V. Grâce aux essais réalisés par Uemura à l’université de Columbia (New York), on a pu mesurer la «profondeur du champ magnétique», c’est-à-dire jusqu’à quel point le champ magnétique est entré dans un échantillon de superreroal. Il a été mesuré dans les familles de super-conducteurs à haute température critique, mais aussi dans d'autres matériaux exotiques (super-conducteurs organiques, composés d'uranium, etc.) trouvés dans les vingt dernières années.
Uemura a pu constater que les surconducteurs exotiques hus à haute température critique ont la caractéristique que leur température critique est inversement proportionnelle au carré de la profondeur du champ magnétique. Cela suggère aux physiciens l'existence d'un mécanisme d'appariement d'électrons, dans lequel le réseau cristallin se déformerait et donc les électrons du couple seraient très proches. Confirmant cette interprétation, les familles de super-conducteurs s'uniraient et il serait possible d'atteindre des températures critiques plus élevées.
Applications de super-conducteurs
Pour comprendre l'influence de la supraconductivité, nous devons penser à un monde sans résistances électriques. La première application créée est un courant électrique sans résistance. Il ne manquerait pas de chaleur dans le fil super-conducteur. En théorie, le mouvement sans fin serait possible et le courant du superreroal peut être maintenu pendant des années sans perdre d'énergie. Par conséquent, il y aurait accumulation d'électricité.
Un autre domaine d'utilisation est celui des électroaimants. Les bobines de superconducteur permettraient de circuler des intensités de courant intenses générant d'énormes champs magnétiques. Il existe actuellement des limitations à la production de chaleur dans les électroaimants dans les conducteurs conventionnels.
Obstacles aux applications
Cependant, la supraconductivité trouve ses obstacles dans des applications pratiques. La température critique n'est pas la seule limite. En 1911, Kamerlingh Ones fabriqua une bobine de plomb pour créer de grands champs magnétiques et la refroidit avec de l'hélium liquide jusqu'à 4K. Le plomb a une température critique de 7,2 K, mais Ones a constaté que si le champ magnétique était supérieur à 0,05 teslas, le plomb devenait un conducteur normal. La supraconductivité est due au fait que dans les matériaux apparaît lorsque la température, le champ magnétique et le courant électrique (trois paramètres donc à surveiller) sont inférieurs à une certaine mesure. Chaque matériau supraconducteur a des températures, des champs magnétiques et des courants critiques et sa conformité limite considérablement les applications.
Les derniers surconducteurs trouvés sont céramiques, c'est-à-dire formés par un cristal appelé «joint». Cette structure signifie que le courant doit passer entre les grains et ne peut pas avoir beaucoup d'intensité. Chez les surconducteurs de YBaCuO, la densité de courant en 1987 n'était que de centaines d'ampères de 2 cm. A partir de ce moment on a essayé d'améliorer les joints intergranulaires par rapport à la supraconductivité en atteignant des densités de 40.000 A/cm 2, sans champs magnétiques.
Les super-conducteurs de bismuth semblent avoir un avenir meilleur. Le matériau Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 8, par exemple, a une température critique de 110 K. La firme japonaise Sumitomo Electric a atteint des densités de 4 K de 10 5 A/cm 2, mais dans un champ magnétique de 25 teslas.
Cependant, l'année dernière, l'institut japonais de recherche ISTEC a battu un nouveau record. En utilisant 250 plaquettes de YBaCuO, les champs magnétiques créés par les super-conducteurs ont réussi à soulever un centimètre de la terre avec le président d'une plate-forme. Le centre de recherche CRTBT situé à Grenoble (France) a atteint des densités de 8000 A/cm 2 à 77K et 6 teslas.
Avec ces caractéristiques, vous pouvez préparer des détecteurs et des capteurs. Les SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) peuvent mesurer de très petits champs magnétiques. L'année dernière, par exemple, les Californiens de Berkeley ont présenté un SQUID qui mesurait le champ magnétique créé par le cœur humain.
Cependant, l'avenir des super-conducteurs n'est pas encore clair, mais il y a des applications comme la lévitation magnétique qui nous surprendront.
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