Superconductivitate

Superconductibilitatea (sau superconductoare) este un fenomen caracterizat prin absența rezistenței electrice și expulzarea câmpului magnetic - pentru efectul Meissner - în anumite materiale cunoscute ca supraconductori .

Prima supraconductivitate descoperită istoric și denumită în mod obișnuit superconductivitate convențională, apare la temperaturi foarte scăzute, aproape de zero absolut ( -273,15 ° C ). Superconductivitatea face posibilă în special transportul de energie electrică fără pierderi de energie. Aplicațiile sale potențiale sunt strategice.

În superconductorii convenționali, interacțiunile complexe apar între atomi și electroni liberi și duc la apariția perechilor legate de electroni , numite perechi Cooper . Explicația supraconductivității este strâns legată de caracteristicile cuantice ale materiei. În timp ce electronii sunt fermioni , perechile de electroni se comportă ca niște bosoni de spin egali cu 0 numiți singlet și sunt „condensați” într-o singură stare cuantică , sub forma unui superfluid de perechi Cooper.

Un efect similar al supraconductivității este superfluiditatea , caracterizând un flux fără nicio rezistență, adică o mică perturbare care este supusă acestui tip de lichid nu se oprește niciodată, în același mod în care perechile Cooper se mișcă fără rezistență într-un superconductor.

Există, de asemenea, alte clase de materiale, denumite în mod colectiv „superconductori neconvenționali” (spre deosebire de denumirea de supraconductivitate convențională), ale căror proprietăți nu sunt explicate de teoria BCS . În special, clasa cupratilor (sau „supraconductori cu temperatură critică ridicată”), descoperită în 1986, prezintă proprietăți supraconductoare la temperaturi mult mai ridicate decât superconductorii convenționali. Cu toate acestea, ceea ce fizicienii numesc „temperatură ridicată“ rămâne extrem de scăzută în comparație temperaturilor la suprafața Pământului (maxim este, sau -140 ° C ), dar sunt uneori peste temperatura de lichefiere azot. În azot lichid la 77 K . Primul material supraconductor la temperatura camerei, o hidrură de carbon și sulf , a fost descoperit în 2020: T c = 287,7 ± 1,2 K (aproximativ 15 ° C ), dar sub o presiune de 267 ± 10 GPa (aproape presiune în centrul pământul).

Deși acest subiect a fost unul dintre cele mai studiate subiecte în fizica statelor solide de la începutul anilor 1990, în 2010 nicio teorie nu descrie în mod satisfăcător fenomenul de supraconductivitate neconvențională. Teoria fluctuațiilor de spin este una dintre cele mai promițătoare și permite multe dintre proprietățile de heliu 3 , fermioni grele și cuprat pentru a fi reproduse . În această teorie, asocierea se face prin schimbul de fluctuații de rotire, totuși nu s-a stabilit încă un consens. Această teorie ar putea ajuta, de asemenea, să explice supraconductivitatea supraconductoarelor pe bază de fier.

Istoric

Fenomenul a fost descoperit în 1911 de fizicianul olandez Heike Kamerlingh Onnes și echipa sa formată din Gilles Holst , Cornelis Dorsman și Gerit Flim. Kamerlingh Onnes lichefia cu succes heliul pentru prima dată în 1908, ceea ce i-a permis să efectueze măsurători fizice până la temperaturi de 1,5 K (-271,6 ° C). Apoi a întreprins un program de măsurători sistematice ale proprietăților materiei la temperaturi foarte scăzute, în special măsurarea rezistenței electrice a metalelor. 8 aprilie 1911, echipa măsoară că rezistivitatea electrică (sau rezistența electrică ) a mercurului devine zero sub o anumită temperatură numită temperatura critică T c , de ordinul a 4,2 K pentru mercur. Aceasta este prima observație a unei stări supraconductoare, deși în acest moment ar putea fi confundată cu un conductor ideal. Un zvon atribuie meritul descoperirii lui Gilles Holst (student al lui K. Onnes), dar caietul de experiență descoperit mai târziu, scris de Kamerlingh Onnes însuși, arată că acesta din urmă era într-adevăr la comanda experienței din acea zi, măsurând Gilles Holst rezistență electrică cu un pod Wheatstone , Cornelis Dorsman și Gerit Flim care se ocupă de aspecte ale criogeniei. Pentru toată lucrarea sa privind lichefierea heliului și utilizarea heliului lichid, Kamerlingh Onnes a primit Premiul Nobel pentru fizică în 1913.

Experimentele cu multe alte elemente arată că unele au supraconductivitate, iar altele nu: în 1922, în special, conduc la -266,15 ° C ; iar în 1941, nitrură de niobiu la 16 K.

În 1933, Meissner și Ochsenfeld au descoperit a doua caracteristică a stării supraconductoare, faptul că respinge câmpul magnetic, fenomen cunoscut sub numele de efect Meissner . În 1935 , frații Fritz și Heinz London arată că efectul Meissner este o consecință a minimizării energiei libere transportate de curentul supraconductor.

În 1950 s-a constatat că temperatura critică depinde de masa izotopică.

În 1950 din nou, așa - numita teorie fenomenologică Ginzburg-Landau a fost dezvoltată de Lev Landau și Vitali Ginzburg . Această teorie explică proprietățile macroscopice ale supraconductoarelor în apropierea tranziției lor de fază folosind ecuația Schrödinger . În special, Alexei Abrikosov arată că cu această teorie putem prezice existența a două categorii de supraconductori (tipurile I și II). Abrikosov și Ginzburg vor primi premiul Nobel în 2003 pentru această lucrare (Landau a murit în 1968 ).

În 1957 , un chimist olandez a descoperit primul superconductor organic-sintetic, ditetramethiltetraselenofulvalinehexafluorophosphate .

O teorie completă a supraconductivității a fost propusă în 1957 de John Bardeen , Leon Cooper și John Schrieffer . Cunoscută sub numele de teoria BCS (după inițialele lor), explică supraconductivitatea prin formarea de perechi de electroni (perechi Cooper) formând apoi bosoni și permițând condensarea. Conform acestei teorii, împerecherea electronilor are loc datorită unei interacțiuni atractive între ei, cauzată de cuplarea lor cu vibrațiile rețelei numite fononi . Pentru munca lor, autorii vor primi Premiul Nobel pentru fizică în 1972 .

În 1959 , Gorkov a arătat că teoria BCS poate fi redusă la teoria Ginzburg-Landau în vecinătatea temperaturii critice pentru apariția supraconductivității.

În 1962 , primele fire supraconductoare (în aliaj de niobiu-titan ) au fost comercializate de Westinghouse. În același an, Brian Josephson prezice teoretic că un curent poate curge printr-un izolator subțire care separă doi superconductori. Acest fenomen, care îi poartă numele ( efectul Josephson ), este folosit în SQUID-uri . Aceste dispozitive sunt utilizate pentru a face măsurători foarte precise ale h / e și, combinate cu efectul cuantic Hall , pentru a măsura constanta Planck h . Josephson va primi Premiul Nobel în 1973 .

În 1979 , Frank Steglich confirmă prezența unei faze supraconductoare în CeCu 2 Si 2, un material alcătuit din atomi magnetici și ai cărui electroni sunt atât de corelați încât masa lor efectivă ajunge uneori de sute de ori cea a electronului liber . Aceste caracteristici fiind atât de diferite de cele ale supraconductoarelor convenționale, se formează o nouă clasă: fermioni grei . Alte materiale ale acestei familii fuseseră deja studiate de BT Matthias în anii 1960 , dar fără a convinge comunitatea științifică.

În 1986 , Johannes Bednorz și Karl Müller au descoperit supraconductivitatea la -238,15 ° C în materiale structurale de perovskit de cupru pe bază de lantan ( Premiul Nobel pentru fizică, 1987 ). Această descoperire reînvie căutarea de materiale cu temperaturi critice din ce în ce mai ridicate.

Foarte repede, oamenii de știință observă că temperatura critică a acestui material crește odată cu presiunea. Prin înlocuirea lantanului cu itriu , adică prin producerea compusului YBa 2 Cu 3 O 7, temperatura critică crește la -181,15 ° C , depășind temperatura azotului lichid ( 77 K ). Acest lucru este foarte important, deoarece azotul lichid este produs industrial la un cost redus și poate fi chiar produs local. Multe cuprate supraconductoare sunt produse ulterior, dar mecanismele acestei supraconductivități rămân de descoperit. Din păcate, aceste materiale sunt ceramice și nu pot fi prelucrate cu ușurință. În plus, își pierd cu ușurință supraconductivitatea la câmpuri magnetice puternice și, prin urmare, aplicațiile sunt demult. Cercetările continuă să scadă sensibilitatea câmpului și să crească temperatura critică. După temperatura azotului lichid, al doilea prag economic (și psihologic) este cel al gheții uscate , 195 K ( -78,5 ° C ).

31 mai 2007, o echipă franco-canadiană de fizicieni publică un studiu în revista Nature care, potrivit unui comunicat de presă al CNRS , ar face posibilă avansarea semnificativă a înțelegerii noastre asupra acestor materiale.

În ianuarie 2008 , echipa profesorului Hosono de la Tokyo Institute of Technology a raportat existența unei noi clase de superconductori: tipul ROFeAs pnictide (unde R este un pământ rar) dopat cu fluor pe locul oxigenului. Temperatura maximă critică a -245.15 ° C . Această descoperire este surprinzătoare din cauza prezenței fierului într-un superconductor cu o temperatură critică atât de ridicată. ÎnAugust 2008, se pare că există un consens că fierul joacă un rol major în supraconductivitatea acestor materiale. Au fost publicate sute de lucrări care arată entuziasmul comunității științifice cu privire la această descoperire. Un anumit număr de grupuri raportează o temperatură critică maximă de -217,15 ° C în cazul în care R este un pământ rar nemagnetic. SfârșitMai 2008, grupul profesorului Johrendt, de la Universitatea din München , raportează supraconductivitatea în compusul Ba 0.6 K 0.4 Fe 2 As 2, Cu o temperatura critică T c de aproximativ -235.15 ° C . Acest compus are o structură cristalografică foarte apropiată de cea a LaOFeAs. Această descoperire este importantă, deoarece arată că oxigenul nu joacă niciun rol în mecanismul de supraconductivitate al acestei noi clase de superconductori. Proprietățile magnetice par a fi implicate, ca și în cazul cupratelor.

În 2014 , unul dintre supraconductorii pe bază de fier care fuseseră descoperiți în 2009 , FeSe, a revenit la știri. Deși temperatura sa critică scăzută (în jur de 10 K) nu a fost considerată atunci foarte interesantă, ne dăm seama că, prin creșterea unui strat subțire (cu o singură grosime atomică) pe un substrat de SrTiO 3, ajungem la o temperatură critică mai mare de 100 K și, prin urmare, mai mare decât cele ale tuturor celorlalți supraconductori pe bază de fier. Această descoperire deschide calea către superconductorii cu film subțire și sinteza materialelor complexe.

În 2016, s-a observat o temperatură critică peste 200 K în hidrura de sulf . Deși aparent datorită întâmplării, această descoperire a fost de fapt prezisă de teoreticianul Neil Ashcroft încă din 1968 , pe baza superconductivității convenționale. Cu toate acestea, experimentul a impus impunerea unei presiuni foarte puternice, mai mare de 50 GPa .

Proprietăți elementare

Un superconductor este un material care, când este răcit sub o temperatura critică T c , prezintă două proprietăți caracteristice, care sunt:

rezistență zero;
un diamagnetism perfect.

Existența acestor caracteristici, comune tuturor supraconductoarelor convenționale, face posibilă definirea supraconductivității ca rezultat al unei tranziții de fază . Studiul variațiilor în proprietățile fizice ale supraconductoarelor pe măsură ce trec în starea supraconductoare confirmă acest lucru și stabilește că tranziția supraconductoare este o tranziție de fază adevărată .

Rezistivitate zero

Absența totală a rezistenței electrice a unui supraconductor prin care curge un curent limitat este, în mod evident, cea mai cunoscută proprietate a lor și, în plus, aceasta a dat numele fenomenului. Teoretic, acești curenți pot curge la nesfârșit. În practică, curenții circulă deja de mai bine de 25 de ani (4 august 2020) în gravimetrele supraconductoare, unde o sferă de 4 g levitează în câmpul magnetic generat de o pereche de bobine supraconductoare.

Efect Meissner

Efectul Meissner, numit după Walther Meissner care l-a descoperit în compania lui Robert Ochsenfeld în 1933 , este faptul că o probă supusă unui câmp magnetic extern îl expulzează atunci când este răcit sub temperatura sa critică, indiferent de starea sa anterioară.

Conform ecuațiilor lui Maxwell , în orice material cu rezistență zero, câmpul magnetic trebuie să rămână constant în timp. Cu toate acestea, existența efectului Meissner arată că supraconductivitatea nu este doar despre existența unei conductivități infinite.

Experimental, efectul Meissner este prezentat prin răcirea unei probe supraconductoare sub temperatura sa critică în prezența unui câmp magnetic. Este apoi posibil să se arate că câmpul magnetic din interiorul eșantionului este zero, în timp ce pentru un conductor perfect ipotetic, acesta ar trebui să fie egal cu câmpul magnetic aplicat în timpul tranziției.

Notă : unii supraconductori, cunoscuți sub numele de tip II , prezintă efectul Meissner doar pentru valori scăzute ale câmpului magnetic, în timp ce rămân supraconductori la valori mai mari ( vezi mai jos ).

Teorii

Teoria Ginzburg-Landau

Teoria dezvoltată de Ginzburg și Landau în 1950 introduce un parametru de ordine complex ψ ( r ) care caracterizează supraconductivitatea în cadrul general al teoriei lui Landau a tranzițiilor de fază de ordinul doi. Semnificația fizică a acestui parametru este proporțională cu densitatea electronilor supraconductori ( adică a electronilor care constituie perechi Cooper). Punctul de plecare al teoriei este că densitatea de energie liberă f s poate fi dezvoltată într-o serie de parametri de ordine în apropierea tranziției supraconductoare sub următoarea formă: $n_ {s} ({\ mathbf {r}}) = {\ vert \ psi ({\ mathbf {r}}) \ vert} ^ {2}$

f = f _ {{n0}} + \ alpha \ left | \ psi \ right | ^ {2} + {\ frac {\ beta} {2}} \ left | \ psi \ right | ^ {4} + { \ frac {1} {2m ^ {*}}} \ left | \ left (- \ imath \ hbar \ nabla -q ^ {*} {\ textbf {A}} \ right) \ psi \ right | ^ {2 } + {\ frac {{\ mathbf {B}} ^ {2}} {2 \ mu _ {0}}}

unde f n0 este densitatea energiei libere în stare normală în câmp zero, A este potențialul vector și B este intensitatea locală a inducției magnetice.

Al doilea și al treilea termen reprezintă extinderea de ordinul doi în | ψ | 2 , al treilea poate fi văzut ca expresia invariantă a indicatorului energetic cinetic asociat cu „purtători de sarcină supraconductori”, de masă m * și de sarcină q *, în timp ce al patrulea este pur și simplu densitatea energiei magnetice.

În starea supraconductoare, în absența unui câmp și a unui gradient , ecuația anterioară devine:

f_ {s} -f_ {n} = \ alpha {\ left | \ psi \ right |} ^ {2} + {\ frac {1} {2}} \ beta {\ left | \ psi \ right |} ^ {4}

β este neapărat pozitiv, deoarece altfel nu ar exista un minim global pentru energia liberă și, prin urmare, nu ar exista o stare de echilibru. Dacă α> 0 , minimul are loc pentru ψ = 0 : materialul este în stare normală. Prin urmare, cazul interesant este cel în care α <0 . Atunci avem, la echilibru, deci: $\ left | \ psi \ right | ^ {2} = \ left | \ psi _ {\ infty} \ right | ^ {2} \ equiv - \ alpha / 2 \ beta$

f_ {s} -f_ {n} = {\ frac {{{\ mathbf {B}} _ {C}} ^ {2}} {2 \ mu _ {0}}} = - {\ frac {\ alpha ^ {2}} {2 \ beta}}

Superconductori de tip I.

Un supraconductor de tip I este un supraconductor cu un singur câmp magnetic critic. Are proprietatea de a respinge orice câmp magnetic extern și se găsește în două stări, în funcție de temperatura critică și câmpul magnetic critic, și anume:

Starea normală: domeniul în care H> Hcritical și T> Tcritical
Statul supraconductor guvernat de legea lui Meissner

Superconductor de tip II

Un supraconductor de tip II este un supraconductor cu două câmpuri magnetice critice. Poate fi găsit în mai multe stări, în funcție de temperatura și câmpurile magnetice critice:

Starea normală
Starea supraconductoare: efectul Meissner
Starea mixtă: are zone supraconductoare și zone neconductoare numite „vortexuri”. Sunt tuburi de câmp magnetic prin care materialul se lasă pătruns de câmpul extern.Apariția vârtejurilor în superconductorii de tip II este asociată cu cuantificării fluxului de câmp magnetic care trece prin ele. Cuantumul fluxului asociat cu supraconductivitatea merită . ${\ displaystyle \ phi _ {0} = {\ frac {h} {2e}} \ simeq 2.07 ~ 10 ^ {- 15} ~ {\ text {Tm}} ^ {2}}$

Teoria BCS

Această teorie se bazează pe cuplarea electronilor unui metal în perechi: perechile Cooper . Ele formează o singură stare coerentă de energie mai mică decât cea a metalului normal, cu electroni nepereche.

Problema este de a explica această împerechere având în vedere repulsia Coulomb . Un model calitativ simplu constă în luarea în considerare a electronilor dintr-un metal care interacționează cu rețeaua cristalină formată din ioni pozitivi. Aceștia atrag electronii și se mișcă ușor (ionii pozitivi au o inerție mare ). Fizicienii au dat numele de fononi acestor vibrații atomice naturale. Această interacțiune între electroni și fononi se află la originea rezistivității și supraconductivității: atrași de trecerea foarte rapidă a unui electron (10 6 m / s ), ionii se mișcă și creează o zonă electrică locală pozitivă. Având în vedere inerția, această zonă persistă în timp ce electronul a trecut și poate atrage un alt electron care este astfel, prin intermediul unui fonon, asociat cu cel anterior, în ciuda repulsiei Coulomb. Agitația termică ajunge să distrugă acest echilibru fragil, de unde și efectul nociv al temperaturii asupra supraconductivității.

O particularitate a perechilor Cooper este că momentul lor magnetic intrinsec (numit și spin ) este zero. Într-adevăr, cei doi electroni împerecheați au același spin (1/2, spin caracteristic fermionilor ), dar cu semn opus. Aceasta este condiția ca energia perechii să fie mai mică decât suma energiilor celor doi electroni. Apoi formează un întreg care se comportă ca un boson (întreaga particulă de spin ascultând statistica Bose-Einstein): perechile se mișcă fără a întâmpina nicio rezistență, deci superconductivitatea.

Diferența de energie dintre starea supraconductoare și starea normală se numește decalaj energetic. Este energia necesară pentru a trece de la starea supraconductoare la starea normală prin ruperea perechilor Cooper. Această energie tinde spre zero atunci când temperatura tinde spre temperatura critică.

Interacțiunea electron-fonon joacă un rol esențial pentru asocierea electronilor și, prin urmare, pentru supraconductivitate.

Această teorie a fost concepută înainte de descoperirea materialelor supraconductoare critice la temperatură înaltă. Apare atunci o întrebare: superconductorii cu T c înalt contrazic teoria BCS? Teoreticienii nu sunt de acord asupra acestui subiect. Unii sunt de părere că cuplarea dintre electroni nu se mai datorează rețelei (deci fononilor), ci altor interacțiuni (electronice, magnetice, ambele, ...). Alții oferă modele complet noi. Subiectul este încă deschis ...

Clase de supraconductori

Superconductori convenționali

Unii fizicieni definesc supraconductorii convenționali ca fiind cei care sunt bine descriși de teoria BCS. Altele, mai specifice, le definesc ca având un mecanism de formare a perechilor Cooper care implică interacțiunea dintre electroni și fononi.

Recent (2015) am reușit să găsim supraconductori convenționali cu o temperatură critică ridicată (203 K sau -70 ° C), dar la o presiune foarte mare de ordinul unui milion de bare .

Superconductori neconvenționali

Superconductorii neconvenționali (denumiți uneori „exotici” sau „superconductori noi”) se referă la materiale adesea sintetizate artificial în laborator care nu pot fi descrise cu teoria BCS sau a căror origine a supraconductivității nu este încă înțeleasă teoretic. Acestea diferă de supraconductorii convenționali, în special prin mecanismul de la originea formării perechilor de electroni, cunoscuți sub numele de perechi Cooper, responsabili de supraconductivitate.

Mai multe familii de materiale sunt considerate neconvenționale: fermioni grei , superconductori organici sau moleculari ( săruri Bechgaard ), cuprate sau pnicturi . În 2017 cristalele unice de supraconductoare bismut a fost demonstrată sub 0,53 mK la presiunea camerei, cu un câmp magnetic critic estimat la 5,2 mT la -273.15 ° C . Superconductivitatea bismutului nu poate fi explicată prin teoria BCS, deoarece aproximarea adiabatică nu i se aplică și pune problema supraconductivității materialelor cu densitate scăzută a purtătorului și structură de bandă particulară.

Anumite familii de materiale prezintă supraconductivitate la temperaturi mai ridicate decât aliajele sau metalele, dar a căror origine este explicată de teoria BCS : fullerenele de tip AnC60 (unde A este un alcalin ), a căror temperatură critică crește la 'la 33 K , sau diborură de magneziu MgB 2a cărui temperatură critică se ridică la 39 K . Prin urmare, acestea nu sunt în sensul strict al supraconductoarelor neconvenționale, dar sunt încă distinse de supraconductorii convenționali.

Cei mai studiați supraconductori neconvenționali de până acum sunt cupratele, descoperite de Johannes Georg Bednorz și Karl Alexander Müller în 1985 . Aceștia sunt oxizi ceramici compuși din oxizi amestecați de bariu, lantan și cupru cu o temperatură critică de aproximativ 35 K ( −238 ° C ). Această temperatură a fost mult mai mare decât cele mai ridicate temperaturi critice cunoscute la acel moment ( -250,15 ° C ); această nouă familie de materiale a fost numită supraconductor la temperatură înaltă . Bednorz și Müller a primit în 1987 Premiul Nobel pentru fizică pentru descoperirea lor.

De atunci, au fost sintetizați mulți alți supraconductori cu temperatură înaltă. Încă din 1987, superconductivitatea a fost atinsă peste -196,15 ° C , punctul de fierbere al azotului , care este foarte important pentru aplicațiile tehnologice, deoarece azotul lichid este mult mai puțin costisitor decât heliul.lichid care trebuia folosit până atunci. Exemplu: YBa 2 Cu 3 O 7T c = -181.15 ° C .

Temperatura critică record este de aproximativ 133 K (-140 ° C) la presiune normală și temperaturi ușor mai ridicate pot fi atinse la presiuni mai mari. Starea actuală a cercetării nu face posibil să știm dacă vom putea într-o zi să putem obține un material bazat pe cuprat supraconductor la temperatura camerei.

Superconductivitate calorică

Proprietatea heliului superfluid de a conduce căldura fără pierderi a fost atribuită unor mecanisme similare; se spune că este un supraconductor termic .

În iunie 2019, o echipă de cercetători de la Universitatea din New York publică un articol în revista științifică pre-publicare Arxiv , în care anunță că au descoperit o nouă formă de superconductivitate, numită „topologică”. Această nouă dezvoltare a teoriei este strâns legată de particulele Majorana și ar putea permite un avans notabil în posibilitățile de stocare a informațiilor și puterea de calcul a mediilor computerizate.

Aplicații

Butoi magnetic

Electromagneți

Producția de electromagneti supraconductori este cu siguranță cea mai comună aplicație a supraconductivității. Se găsesc în câmpuri:

de imagistică prin rezonanță magnetică în care un câmp magnetic de mai multe tesle este produs de un supraconductor solenoid . De asemenea, fac posibilă producerea unui câmp magnetic foarte omogen, ceea ce face posibilă obținerea unei imagini de înaltă calitate: centrul NeuroSpin din Saclay;
de acceleratoare de particule : Proiectul LHC ( Large hadron collider ) al CERN : 1700 tone de material supraconductor;
levitație magnetică , inclusiv trenurile către levitație magnetică ( Maglev chinezesc , vezi levitație magnetică ) și acumulatorii la electromecanic volantă ;
a fuziunii nucleare prin confinare magnetică: pentru confinarea plasmelor încălzite între 10 și 100 de milioane de Kelvin, un centru magnetic de ordinul a 5-10 tesla urmează să fie creat în centrul unui tor, cea mai avansată versiune se numește tokamak . Aceste câmpuri enorme pot fi menținute timp de zece minute datorită bobinelor cu înfășurări supraconductoare: acesta este cazul tokamakului Tore-Supra de la Cadarache și viitorului Tokamak ITER (Reactorul Experimental Internațional Tokamak) care este de asemenea în construcție la Cadarache pentru o primă plasmă descărcare de gestiune în 2020.

Transportul energiei

Linia de înaltă tensiune supraconductivă de 48 km urmează să fie testată în Coreea de Sud , destinată să transporte 50 MW. Economisirea spațiului este importantă, dar răcirea cu azot lichid necesită o infrastructură importantă.
Construită de compania franceză Nexans înAprilie 2008, lângă New York , un cablu de alimentare supraconductor lung de 600 m, care poate transporta o putere de 574 MW, alimentează 300.000 de locuințe pe insula Long Island . Aceasta este de patru ori mai multă putere decât un cablu convențional de cupru din aceeași secțiune, datorită unui material supraconductor pe bază de cupru și bismut (Bi-Sr-Ca-Cu-O). Desigur, acest proiect susținut de Departamentul de Energie al SUA costă mult mai mult decât o linie convențională, datorită azotului lichid necesar la -196 ° C. Cu toate acestea, continuă ca această tehnologie să se îmbunătățească.
În orașul Essen, Germania, furnizorul german de energie electrică RWE a integrat pentru prima dată un cablu supraconductor într-o rețea electrică existentă. Un element emblematic al proiectului AmpaCity, acest cablu lung de un kilometru a fost instalat30 aprilie 2014. Astăzi este cel mai lung cablu supraconductor din lume.

O bobină supraconductoare este conectată la rețea printr-un convertor reversibil AC-DC. Bobina este furnizată de redresor, care permite stocarea energiei sub forma ½ L × I 2 . Dacă este necesar (defect de linie), energia stocată în bobina supraconductoare este transferată înapoi la instalație prin invertor. În Franța, cele mai mari prototipuri (câteva sute de kJ) au fost produse în Grenoble , în departamentul Materie condensată - temperaturi scăzute al Institutului Néel cu ajutorul unor parteneri precum DGA și Nexans.

Proprietatea de levitație a supraconductoarelor poate fi folosită și pentru stocarea energiei . Acesta este cazul acumulatorilor rotativi de energie cinetică (cu volant , în engleză volant ). În aceste aplicații, o roată magnetică este plasată în levitație deasupra unui supraconductor. Roata este rotită (ideal în vid pentru a minimiza fricțiunea) cu ajutorul unui motor (faza de încărcare). Odată ce roata este „încărcată”, ea reține energia sub formă de energie cinetică de rotație, cu pierderi reduse, deoarece aproape nu există frecare. Energia poate fi recuperată prin frânarea roții.

IMM-urile ( stocarea energiei magnetice supraconductoare ) și volanta sunt, prin urmare, două soluții tehnologice care ar putea înlocui o baterie tradițională, deși menținerea temperaturilor criogenice necesită multă energie.

Izolare electromagnetică

Pentru a realiza o fuziune termonucleară controlată: tokamak-urile sau stelarele sunt incinte toroidale în interiorul cărora plasmele sunt confinate sub presiuni și temperaturi considerabile.

Cavități de radiofrecvență / acceleratoare de particule

Superconductivitatea este, de asemenea, utilizată pentru fabricarea cavităților care accelerează radiofrecvența, ceea ce face posibilă stocarea și amplificarea câmpului electric destinat accelerării fasciculului de particule încărcate. Pentru a putea obține câmpuri accelerate de ordinul a 45 MV / m (aproape 100 MV / m lângă suprafață), o undă de radiofrecvență trebuie injectată în cavitate. Densitățile de curent de ordinul 10 10 - 10 12 A / m 2 circulă pe suprafața internă a cavității și provoacă încălzirea pereților. Nu am putea obține câmpuri atât de înalte continuu cu un conductor normal: pereții ar începe să se topească. În radiofrecvență, rezistența unui supraconductor nu este strict zero, dar rămâne de aproximativ 100.000 de ori mai mică decât cea a cuprului, de unde principalul interes al acestei tehnologii pentru accelerarea cavităților. Dar acesta nu este singurul avantaj: utilizarea cavităților supraconductoare influențează și designul acceleratorului și calitatea grinzilor obținute. De exemplu, formele lor mai deschise facilitează alinierea grinzii; când acest lucru trebuie făcut pe câteva zeci de kilometri, devine un argument substanțial.

Metamateriale supraconductoare

Un material este o rețea de atomi. Dacă, mai degrabă decât atomii, conectăm la rețea circuite mici supraconductoare, rezultatul final este un metamaterial , ale cărui proprietăți sunt surprinzătoare.

Există un echivalent fotonic al supraconductivității?

Ca rezultat al lucrărilor efectuate de Ado Jorio privind împrăștierea luminii în diferite materiale (la Universitatea Federală din Minas Gerais din Belo Horizonte , Brazilia), a fost observat un comportament asemănător supraconductivității cu fotonii, sugerând o posibilă legătură între împrăștierea luminii, fizica materiei condensate și optica cuantică . În acest caz, în loc de „ perechi Cooper ” de electroni, s-au observat perechi de fotoni (la temperatura camerei când lumina trece printr-o gamă de lichide transparente, inclusiv apă ). Sunt dificil de observat, dar, potrivit lui André Saraiva, acesta ar fi un fenomen frecvent. Un foton poate pierde energie din atomii materialului care vibrează. Dacă un al doilea foton absoarbe imediat acest pachet de energie vibrațională, cei doi fotoni devin „legați” indirect, unul câștigând energia pierdută de celălalt. Gradul de paralelism al acestui fenomen cu superconductivitatea și fononii săi virtuali nu este încă stabilit. Și întrucât fotonii interacționează mult mai puțin cu mediul lor decât electronii, acest fenomen ar trebui să aibă a priori efecte mai discrete decât în cazul electronilor; a dat naștere rapid speculațiilor. Într-adevăr, conform unui model matematic stabilit de cercetătorii de la UFRJ, atunci când fotonii interacționează în acest mod comportamentul lor ar fi identic cu cel al perechilor Cooper din superconductori. Dovezi ale existenței acestor perechi au fost obținute prin analiza efectelor impulsurilor laser la temperatura camerei în apă și alte șapte lichide transparente. Aceste perechi sunt de zece ori mai numeroase decât s-ar datora simplei șanse.

Rămâne să confirmăm fenomenul reproducând experimentul și comparându-l cu cunoștințele disponibile în optica cuantică și în fizica materiei condensate.

Dacă există confirmare, ar deveni posibil să se producă fotoni „ încurcați ” la temperatura camerei și, de exemplu, din apă. Acesta din urmă ar putea, probabil, în anumite circumstanțe să formeze supracurenți, permițând luminii să treacă mai bine prin anumite materiale (de exemplu, în beneficiul unei comunicări cuantice mai eficiente în computerele viitorului). Acestea ar putea fi, de asemenea, folosite pentru a „dezvălui proprietățile invizibile în prezent ale unui material” și pentru diverse utilizări (inclusiv criptografia cuantică și computerizată).

Premiul Nobel pentru superconductivitate

Heike Kamerlingh Onnes (1913), pentru cercetările sale asupra proprietăților materiei la temperaturi scăzute care au dus, printre altele, la producerea de heliu lichid (pentru investigațiile sale asupra proprietăților materiei la temperaturi scăzute care au dus, printre altele, la producerea de heliu lichid). Una dintre proprietăți a fost superconductivitatea în mercur.
John Bardeen , Leon Neil Cooper și John Robert Schrieffer (1972), pentru teoria dezvoltată în comun a superconductivității, numită de obicei teoria BCS (pentru teoria lor dezvoltată în comun a superconductivității, numită de obicei teoria BCS).
Leo Esaki , Ivar Giaever (1973), pentru descoperirile lor experimentale privind fenomenele de tunelare în semiconductori și, respectiv, supraconductori (pentru descoperirile lor experimentale privind fenomenele de tunelare în semiconductori și, respectiv, supraconductori).
Brian David Josephson (1973), pentru predicțiile sale teoretice ale proprietăților unui supracurent printr-o barieră de tunel, în special acele fenomene care sunt în general cunoscute sub numele de efecte Josephson (pentru predicțiile sale teoretice ale proprietăților unui supracurent printr-o barieră de tunel, în în special acele fenomene care sunt în general cunoscute sub numele de efecte Josephson).
Johannes Georg Bednorz și Karl Alexander Müller (1987), pentru progresul lor important în descoperirea supraconductivității în materialele ceramice.
Alekseï Abrikossov , Vitaly Ginzburg și Anthony Leggett (2003), pentru contribuțiile lor de pionierat la teoria superconductorilor și a superfluidelor.

Note și referințe

Acesta este HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8, o ceramică . William D. Callister, Știința și ingineria materialelor, Modulo Éditeur, 2001, p.620 (tradus în franceză)
(în) Davide Castelvecchi, „ Primul supraconductor la temperatura camerei entuziasmat - și vorbitori - oameni de știință ” , Nature , vol. 586,15 octombrie 2020, p. 349 ( DOI 10.1038 / d41586-020-02895-0 ).
(în) Elliot Snider, Nathan Dasenbrock-Gammon, Raymond McBride, Mathew Debessai, Hiranya Vindana și colab. , „ Superconductivitatea la temperatura camerei într-o hidrură de sulf carbonică ” , Nature , vol. 586,15 octombrie 2020, p. 373-377 ( DOI 10.1038 / s41586-020-2801-z ).
Dirk Van Delft, Peter Kes, Physics Today , septembrie 2010, p.38-43
(în) HA Boorse, DB Cook și MW Zemansky, " Superconductivitatea plumbului " , Phys. Rev. , vol. 78, nr . 5,1950, p. 635–636 ( DOI 10.1103 / PhysRev.78.635 )
G. Aschermann, E. Friederich, E. Justi și J. Kramer, în Phys. Z. , vol. 42, 1941, p. 349-360
(de) W. Meissner și R. Ochsenfeld, „ Ein neuer Effekt bei Eintritt der Supraleitfähigkeit ” , Naturwissenschaften , vol. 21, nr . 44,1933, p. 787–788 ( DOI 10.1007 / BF01504252 )
(în) F. London și H. London, „ The Equations of the Electromagnetic Supraconductor ”, în Proceedings of the Royal Society of London . Seria A, Științe matematice și fizice , vol. 149, nr 866, 1935, p. 71–88 [ „ prima pagină ” .]
(în) E. Maxwell, " Efectul izotopului în superconductivitatea mercurului " , Phys. Rev. , vol. 78, nr . 4,1950, p. 477 ( DOI 10.1103 / PhysRev.78.477 )
(ro) CA Reynolds, B. Serin, WH Wright și LB Nesbitt, " Superconductivitatea izotopilor de mercur " , Phys. Rev. , vol. 78, nr . 4,1950, p. 487 ( DOI 10.1103 / PhysRev.78.487 )
(ro) VL Ginzburg și LD Landau, „ Despre teoria superconductivității ” , Zh. Eksp. Teor. Fiz. , vol. 20,1950, p. 1064-1082
A. Abrikosov, în Dokl. Acad. Nauk 86 , 1952, 489.
(ro) J. Bardeen, LN Cooper și JR Schrieffer, " Theory of Superconductivity " , Phys. Rev. , vol. 108, nr . 5,1957, p. 1175-1204 ( DOI 10.1103 / PhysRev.108.1175 )
(în) LP Gor'kov, " Derivarea microscopică a ecuațiilor Ginzburg-Landau în teoria superconductivității " , Soviet Physics JETP , vol. 36, nr . 9,1959, p. 1364-1367 ( citiți online )
(în) BD Josephson, „ Posibile efecte noi în tunelarea supraconductivă ” , Physics Letters , vol. 1, n o 7,1962, p. 251-253
F. Steglich , J. Aarts , CD Bredl și W. Lieke , „ Superconductivitatea în prezența parametrilor puternici Pauli: Ce $ {\ mathrm {Cu}} _ {2} $$ {\ mathrm {Si}} _ { 2} $ ”, Physical Review Letters , vol. 43, n o 25,17 decembrie 1979, p. 1892–1896 ( DOI 10.1103 / PhysRevLett.43.1892 , citit online , accesat la 17 noiembrie 2017 )
BT Matthias , CW Chu , E. Corenzwit și D. Wohlleben , " FERROMAGNETISM ȘI SUPERCONDUCTIVITATE ÎN COMPUȘI URANIUM ", Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America , vol. 64, n o 2Octombrie 1969, p. 459–461 ( ISSN 0027-8424 , PMID 16591786 , citit online , accesat la 17 noiembrie 2017 )
(en) JG Bednorz și KA Müller, „ Posibilă supraconductivitate T c ridicată în sistemul Ba - La - Cu - O ” , Z. Phys. B , vol. 64, n o 21986, p. 189-193 ( DOI 10.1007 / BF01303701 )
(ro) MK Wu, JR Ashburn, CJ Torng, PH Hor, RL Meng, L. Gao, ZJ Huang, YQ Wang și CW Chu, „ Superconductivitate la 93 K într-o nouă fază mixtă Y-Ba- Sistem compus Cu-O la presiunea ambiantă ” , Phys. Rev. Lett. , vol. 58, nr . 9,1987, p. 908-910 ( DOI 10.1103 / PhysRevLett.58.908 )
(în) Nicolas Doiron-Leyraud Cyril Proust, David Leboeuf, Julien Levallois, Jean-Baptiste Bonnemaison Ruixing Liang, DA Bonn, WN Hardy și Louis Taillefer, " oscilații cuantice și suprafața Fermi în anul underdoped high-T c supraconductor » , Natura , vol. 447,31 mai 2007, p. 565-568 ( DOI 10.1038 / nature05872 )
A se vedea acest „ comunicat de presă ” , pe CNRS (accesat la 28 august 2010 )
(ro) Yoichi Kamihara, Takumi Watanabe, Masahiro Hirano și Hideo Hosono, " Supraconductor stratificat pe bază de fier The [O 1-x F x ] FeAs(x = 0,05−0,12) cu T c = -247,15 ° C ” , J. Am. Chem. Soc. , vol. 130, nr . 11,2008, p. 3296-3297 ( DOI 10.1021 / ja800073m )
(ro) Marianne Rotter, Marcus Tegel și Dirk Johrendt, „ Superconductivitate la -235,15 ° C în arsenura de fier (Ba 1-x K x ) Fe 2 As 2 » , Phys. Rev. Lett. , vol. 101, nr . 10,2008, p. 107006 ( DOI 10.1103 / PhysRevLett.101.107006 )
Yoo Jang Song , Jong Beom Hong , Byeong Hun Min și Kyu Jun Lee , „ Comportamentul pseudogap în superconductorul stoichiometric FeSe (Tc ~ 9,4 K) ”, Journal of the Korean Physical Society , vol. 59, n o 212 august 2011, p. 312 ( ISSN 0374-4884 , DOI 10.3938 / jkps.59.312 , citit online , accesat la 17 noiembrie 2017 )
(în) Jian-Feng Ge , Zhi-Long Liu , Canhua Liu și Chun-Lei Gao , „ Superconductivitatea peste 100 K în filmele cu un singur strat au fost dopate SrTiO3 FeSe ” , Nature Materials , vol. 14, n o 3,24 noiembrie 2014, p. 285-289 ( ISSN 1476-4660 , DOI 10.1038 / nmat4153 , citit on - line , accesat 17 noiembrie 2017 )
(în) Mari Einaga , Masafumi Sakata , Takahiro Ishikawa și Katsuya Shimizu , „ Structura cristalină a stadiului supraconductor al hibridului de sulf ” , Nature Physics , vol. 12, n o 9,9 mai 2016, p. 835–838 ( ISSN 1745-2481 , DOI 10.1038 / nphys3760 , citit online , accesat la 17 noiembrie 2017 )
NW Ashcroft , „ Hidrogenul metalic: un supraconductor la temperaturi ridicate? ”, Physical Review Letters , vol. 21, n o 26,23 decembrie 1968, p. 1748–1749 ( DOI 10.1103 / PhysRevLett.21.1748 , citit online , accesat la 17 noiembrie 2017 )
Gallop, JC (John C.) , SQUIDS, efectele Josephson și electronica supraconductoare , Adam Hilger,1991( ISBN 0750300515 , OCLC 21674465 , citit online )
„ Record mondial în laboratorul subteran al Membach: o sferă de 4 grame levitează de 8081 zile ” , pe Observatorul Regal din Belgia (accesat la 19 octombrie 2017 ) .
(în) Michel Van Camp , Olivier de Viron , Arnaud Watlet și Bruno Meurers , " Geophysics From Terrestrial Time-Variable Gravity Measurements " , Review of Geophysics ,23 septembrie 2017, p. 2017RG000566 ( ISSN 1944-9208 , DOI 10.1002 / 2017rg000566 , citit online , accesat 19 octombrie 2017 ).
(en-SUA) Michel Van Camp , Olivier Francis și Thomas Lecocq , „ Înregistrarea istoriei gravitaționale a Belgiei ” , Eos , vol. 98,29 decembrie 2017( DOI 10.1029 / 2017eo089743 , citit online , accesat la 4 ianuarie 2018 ).
Conferință de Louis Taillever, Universitatea de Sherbrooke, ianuarie 2010.
„ Înregistrare: hidrogenul sulfurat devine supraconductor de la -70 ° C ” , pe futura-sciences.com ,18 august 2015(accesat la 18 august 2015 )
(în) Om Prakash, Anil Kumar, A. și S. Ramakrishnan Thamizhavel, " Dovezi pentru supraconductivitate în vrac în cristale unice de bismut pur la presiunea ambiantă " , Știință , vol. 355, nr . 63206 ianuarie 2017, p. 52-55 ( DOI 10.1126 / science.aaf8227 ).
„Semnarea fazei tranziției topologice în joncțiunile Josephson”, site-ul Arxiv, 5 iunie 2019
„Cercetătorii descoperă o nouă stare a materiei: supraconductivitatea topologică”, Trust my Science, 21 august 2019
„O nouă stare a materiei descoperită: superconductivitatea topologică”, Futura Science, 19 august 2019
Site-ul CERN.
„ Ceas tehnologic ” [ arhiva din26 aprilie 2015] , pe Synergie Space (accesat la 16 august 2010 )
Le Figaro , „100 de ani de superconductivitate”, 8 aprilie 2011, p.10
„ Superconductivitate: în curând pe întreaga linie electrică?” » , Despre întreprinderile EDF: Observatorul Energiilor în Afaceri ,1 st februarie 2016(accesat la 20 iunie 2016 )
(în) P. Tixador Domnul Deléglise, A. Badel, K. Berger, B. Bellin, JC Vallier, A. Allais și EC Bruzek, " Primele teste de 800 kJ HTS SME " , IEEE Transactions on Applied Superconductivity , vol. . 18, n o 2iunie 2008, p. 774-778 ( DOI 10.1109 / TASC.2008.921319 )
A se vedea: „ Tore Supra ” , pe CEA (accesat la 28 august 2010 )
Igor I. Smolyaninov și Vera N. Smolyaninova , „ Superconductori metamateriali ”, Nanofotonic , vol. 7, n o 5,24 mai 2018, p. 795–818 ( ISSN 2192-8614 , DOI 10.1515 / nanoph-2017-0115 , citit online , accesat la 18 iunie 2018 )
fizician teoretic la Universitatea Federală din Rio de Janeiro (UFRJ) și coautor al unui articol din revista "Physical Review"
Gibney E (2017), hotonii se împerechează ca niște electroni supraconductori. Descoperirea ridică întrebări despre modul în care s-ar putea comporta un „supracurent” ușor | publicat pe 20 octombrie 2017 | Nature Review | doi: 10.1038 / nature.2017.22868
„ Premiul Nobel pentru fizică 1913 ” , la www.nobelprize.org (accesat la 18 iunie 2018 )
„ Premiul Nobel pentru fizică 1972 ” , la www.nobelprize.org (accesat la 18 iunie 2018 )
" Premiul Nobel pentru fizică 1973 " , la www.nobelprize.org (accesat la 18 iunie 2018 )
„ Premiul Nobel pentru fizică 1987 ” , la www.nobelprize.org (accesat la 18 iunie 2018 )
„ Premiul Nobel pentru fizică 2003 ” , pe www.nobelprize.org (accesat la 18 iunie 2018 )

Vezi și tu

Articole similare

linkuri externe

Superconductivitate - Introducere - Cartea Grenoble Sciences-EDP (Philippe Mangin și Remi Kahn)
Site-ul Superconductivite.fr despre superconductivitate cu explicații, videoclipuri, jocuri, referințe
supra2011.fr toate evenimentele și linkurile pentru 2011, anul superconductivității în Franța
Superconductori.fr
Filme despre Levitații, Trenuri și Legea lui Ohm
Levitație magnetică cu un supraconductor!
(fr) (en) Superconducție: știință sau magie?
Kamerlingh Onnes, Helium lichid pe site-ul BibNum (text comentat)
Antrenează-te folosind efectul Meissner
Experiment supraconductor pe inelul Möbius de la Palatul Descoperirii în timpul Festivalului Științei din 2011
Unele dintre experimentele legate de magnetism și supraconducție prezentate în sala „materie și magnetism” a departamentului de fizică din Palais de la Découverte.
Site web care conține videoclipuri, fotografii, animații, activități în jurul superconductivității - Universitatea Paris-Sud
Superconductorii și proprietățile lor fascinante Lectură de Julien Bobroff (videoclip ilustrat din 2011; 1:54:10)