Les applications de la Supraconductivité aujourd hui. Le rôle des Nanotechnologies.

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1 Les applications de la Supraconductivité aujourd hui. Le rôle des Nanotechnologies. Jérôme Lesueur Laboratoire de Physique et d Etude des Matériaux ESPCI ParisTech, CNRS, Université Pierre et Marie Curie

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3 Effet Joule

4 Effet Joule

5 Résistance électrique Effet Joule Loi d Ohm U = R I

6 Agitation Résistance électrique Basse température Haute température

7 Supraconducteur Mercure K. Onnes C

8 Supraconducteur R = 0 Effet Joule

9 Supraconducteur L. Cooper J. Bardeen R. Schrieffer 1957 Supraconducteur : système quantique cohérent

10 Supraconductivité

11 Supraconducteurs et d innombrables alliages et composés

12 Température critique -196 C -269 C

13 Réfrigération 0,1 /l -196 C Azote Liquide -269 C Helium Liquide 5 /l

14 Réfrigération Liquide Circuit fermé Miniaturisation

15 Médical Energie Applications Electronique Science & Connaissances

16 Champs magnétiques intenses Solénoïde Aimant Champ magnétique Champ Magnétique Courant

17 Solénoïdes supraconducteurs Courant maximum fois plus que le Cuivre Champs jusqu à 20 T Laboratoire CERN

18 Accélérateur de particules CERN

19 Résonance Magnétique Nucléaire Rotation

20 Résonance Magnétique Nucléaire Identification chimique Imagerie médicale

21 Imagerie par Résonance Magnétique

22 Solénoïde supraconducteur Champ de 1 à 1,5 T

23 Application numéro 1 : IRM

24 Prototypes Maglev 581 km/h 40 km

25 Autres applications solénoïdes Moteur de bateau Eoliennes Tokamak

26 Câbles supraconducteurs 138 kv 2000 A

27 Long Island New York m de long, 574 MW, foyers

28 Réseaux «intelligents» à 7% pertes

29 De réseau en réseau

30 Filtres de téléphonie mobile Supraconducteur Conventionnel

31 Résistance électrique nulle Cohérence quantique macroscopique

32 Courant I Effet de cohérence quantique 1962 Jonction Josephson Courant critique Courant I Tension V Tension V

33 Electronique supraconductrice Micro-ondes Etalon du Volt F 0 = h 2e

34 Détecteurs supraconducteurs Jonction Josephson Satellite Herschel

35 Détecteurs supraconducteurs

36 Superconducting Quantum Interference Device (SQUID) Echelle magnétique SQUID

37 Magnétométrie Géologie Archéologie Laboratoire Contrôle

38 Magnéto-encéphalographie

39 Magnéto-encéphalographie

40 Electronique supraconductrice 3 GHz

41 770 GHz Electronique supraconductrice

42 Calcul quantique Bit classique Q bit Température 0,01 K

43 USA Un marché?

44 Conclusion Performances inégalées Fort potentiel d applications Développement important Développement durable La température critique?

45 Supraconductivité Nanophysique Nanotechnologies Echelles caractéristiques Physique fondamentale en basse dimension Applications technologiques

46 Echelles caractéristiques Longueur d écrantage de London l L l ~ 100 nm 1 mm Supraconducteur : expulsion du champ magnétique

47 Echelles caractéristiques Longueur de cohérence x x la taille des paires de Cooper x ~ 2nm (SC Haute Tc) x ~ 1mm (SC Basse Tc) Supraconducteur : système quantique cohérent

48 Réduction de la taille d un SC Gaz 2D dans oxydes Graphène Nanofils Nanotubes de C Nanocontacts Contacts atomique

49 Supraconductivité 2D LaAlO 3 /SrTiO 3 LaTiO 3 /SrTiO nm 2 DEG at the interface Contrôle électrostatique de la supraconductivité Biscaras et al 2011

50 Supraconductivité 2D Ojada et al 2009 Graphène Effet de proximité à 2 dimensions

51 Supraconductivité 1D Nanofils Bollinger et al 2005 Phase slip center

52 Supraconductivité 1D Kasumov et al 1999 Nanotubes de Carbone Effet de proximité à 1 dimension

53 Supraconductivité 0D Scheer et al 1998 Contact atomique

54 Réflexion d Andreev Gap SC Conversion d Andreev Contact Supraconducteur/Normal

55 Réflexion d Andreev Jonction Supraconducteur/Normal/Supraconducteur

56 Nanodétecteurs Luo et al 2011 Détecteur THz Supra / Normal / Supra d ~ 20 nm (SC Haute Tc) Josephson Nanojonction Temperature = 65 K

57 Y Axis Title Détection HF Équivalence fréquence-voltage V 2e h f 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0-0,5-1,0-1,5-2,0-2,5-3,0-3,5-4,0-4,5-5, X Axis T

58 X Axis Title Y Axis Title Y Axis Title 5,0 4,5 4,0 Détection hétérodyne 3,5 3,0 2,5-4,5-5,0 2 sources hyperfréquences (HF) -2,5 I( t) I Asin t Bsin -3,0 DC V ( t) V DC 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0-0,5-1,0-1,5-2,0-2,5-3,0-3,5-4,0 C 1 C pompe Réponse non-linéaire de la jonction [ Asin 2 [ Asin pompe pompe 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0-0,5-1,0-1,5-2,0-3,5-4,0-4,5-5,0 signal t t Bsin t Bsin signal signal f pompe f signal X Axis Title t] t] X Axis Title C f pompe -f signal Composante de mélange (fréquence intermédiaire IF) Vmélange ( t) C2AB cos( pompe signal) t ,0-4,5-4,0-3,5-3,0-2,5-2,0-1,5-1,0-0,50,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 Y Axis Title Détection hétérodyne: Mixer Josephson

59 Bolomètres à électrons chauds Détecteurs de photons uniques Phase slip Romestain et al 2004

60 Faucher et al 2003 NanoSQUID Cleuziou et al 2006 NanoSQUID en Nb/NbOx NanoSQUID avec CNT

61 NanoSQUID Wernsdorfer et al 2009

62 Conclusion Supraconductivité en dimension réduite Nouvelle physique Développements technologiques Electronique supraconductrice