La Supraconductivité

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1 La Supraconductivité Une introduction gentille C est à dire sans mathématiques... David Sénéchal Département de physique Faculté des sciences Université de Sherbrooke 1

2 Première partie Le phénomène physique 2

3 Qu est-ce qu un supraconducteur? Un matériau qui conduit l électricité sans résistance Pas d effet Joule (production de chaleur) Pas de pertes énergétiques Un matériaux qui exclut les champs magnétiques Effet Meissner Permet la lévitation magnétique, la détection de très faibles champs magnétiques, etc. Définition théorique : Un état de la matière dans lequel les électrons forment des paires qui condensent dans un seul état quantique 3

4 Conditions d existence? Un matériau supraconducteur n a cette propriété qu en deça d une température critique Tc La Tc de l YBaCuO est de 92 K [0 K = C] La Tc des meilleurs supra classiques est de 10 K Les courants portés sont limités par une densité de courant critique Le champ magnétique n est exclu qu en deça d un champ critique Hc 4

5 Types de matériaux supraconducteurs Supraconducteurs dits ordinaires ou conventionnels Métaux ou alliages Les plus courants dans les applications de masse Doivent être refoidis à l hélium liquide (4 K, + coûteux) Supraconducteurs organiques Constitués de molécules organiques Les T c sont très bas. Étudiés pour leur intérêt fondamental, pas pour les applications. Supraconducteurs dits à fermions lourds Céramiques à base d oxydes de cuivre Supraconducteurs dits à haute température critique Les T c les plus élevées (record = 125 K). Refroidis à l azote liquide (77 K). 5

6 Éléments supraconducteurs 6

7 Qui a découvert la supraconductivité? Heike Kamerlingh Onnes (1853/1926) Spécialiste de la cryogénie Le premier à liquéfier l hélium (4 K) Prix Nobel de physique (1913) Investigation de la résistance des métaux purs aux basses températures Découvre la supraconductivité du mercure (Hg) en 1911, puis de l étain et du plomb 7

8 La résistance électrique Tout matériau oppose une certaine résistance au courant électrique (Loi d Ohm : V = RI) Cette résistivité génère une certaine quantité de chaleur liée au passage du courant : l effet Joule Parfois désirable : Grille-pain, etc. Souvent nuisible : Chauffage électrique Pertes énergétiques dans le transport du courant et tous les appareils électriques Georg Simon Ohm (1789/1854) James Prescott Joule (1818/1899) 8

9 ABC de la physique des solides La plupart des corps solides sont des cristaux joints de grains dans l acier...mais sous forme de polycristaux : assemblages de cristaux très petits image STM d un alliage Ni-Pt 9

10 Qu est-ce qui cause la résistance? Vision naïve (fausse) : les électrons libres entrent en collision avec les atomes (ions) qui forment le réseau cristallin. Ces collisions empêchent l accélération continue des électrons sous l effet d un champ électrique. 10

11 Qu est-ce qui cause la résistance? En réalité, les électrons se propagent comme des ondes et ne sont pas déviés par les obstacles régulièrement espacés (interférence constructive). 11

12 Qu est-ce qui cause la résistance? Par contre, un défaut de l arrangement cristallin va entraîner une diffusion de l onde, donc une résistance. Généralement, la résistance électrique est causée principalement par les vibration du réseau cristallin : les phonons 12

13 Pourquoi la supraconductivité? Une force attractive lie entre eux les électrons, qui peut vaincre la répulsion électrique dans un milieu complexe comme un solide. L origine de cette force, dans les supraconducteurs ordinaires, est l interaction entre les électrons et les vibrations du réseau cristallin (phonons) 13

14 Pourquoi la supraconductivité? (suite) Les électrons forment des paires (paires de Cooper) Ces paires se retrouvent toutes dans le même état quantique (cohérence quantique) : électrons dans le même état, comme un immense atome! Cette onde commune à toutes les paires est un objet macroscopique, qui ne peut pas être diffusée par un obstacle microsopique, d où l absence de résistance C est la théorie BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer), élaborée en 1957 (prix Nobel de physique, 1972) John Bardeen Leon Cooper Robert Schrieffer 14

15 La solidarité des paires de Cooper 15

16 Fermions et Bosons En physique quantique, les objets microscopiques d un même type sont indiscernables On ne peut pas les suivre à la trace, les étiqueter Deux types d objets (particules) en physique quantique : Fermions : objets qui ne peuvent se trouver dans le même état Ex: électrons, protons, etc. Bosons : objets qui peuvent se superposer dans le même état Ex: photons Un nombre pair de fermions forment un boson Ex: un atome d hydrogène, une paire d électrons, etc. Fermi Bose Dirac Einstein 16

17 La suprafluidité Disparition de toute viscosité dans un fluide (ex: hélium liquide) en-deça d une température critique Comportement étrange Le fluide remonte les parois d un contenant ouvert Le fluide passe par des trous aussi petits que quelques atomes L effet fontaine : jaillissement du fluide s il est légèrement chauffé Le fluide reste stationnaire même si son contenant est en rotation Ce comportement est un autre aspect de la condensation des bosons (atomes d hélium) Un supraconducteur n est autre chose qu un suprafluide chargé électriquement! 17

18 Les aimants Les aimants naturels sont connus depuis l Antiquité Ampère démontre que les effets magnétiques peuvent être reproduits par des circuits électriques Donc le magnétisme serait causé par des courants électriques au sein des atomes et molécules Arago construit le premier électroaimant : coeur de fer entouré d un bobinage André-Marie Ampère (1775/1836) Dominique François Arago (1786/1853) 18

19 Les aimants Faraday popularise le concept de ligne de force, ou de champ magnétique Michael Faraday (1891/1867) 19

20 Les aimants Les lignes de champ magnétique sont apparentes lorsqu un aimant est mis en présence de limaille de fer 20

21 Comment la matière réagit-elle aux champs magnétiques? Les électrons et autres particules subatomiques sont en quelque sorte des aimants microscopiques En plus, les atomes comportent aussi des boucles de courant en raison de la circulation des électrons Paramagnétisme Les spins des électrons et atomes ont faiblement tendance à s aligner sur le champ magnétique appliqué : faible renforcement du champ appliqué Ferromagnétisme Les différents atomes alignent spontanément leur pôles magnétiques : très fort renforcement du champ appliqué Diamagnétisme Le matériau génère un courant électrique qui tente d annuler (partiellement) le champ magnétique appliqué. Causé par le mouvement orbital des électrons dans les atomes ou molécules 21

22 L effet Meissner Supraconductivité ~ diamagnétisme parfait Un supraconducteur exclut tout champ magnétique (Meissner & Ochsenfeld, 1933) Si un matériau supraconducteur à l état normal est plongé dans un champ magnétique et que sa température est abaissée en-deça de Tc, le champ magnétique est expulsé du matériau. Un courant (supercourant) est généré sans pertes dans le matériau supraconducteurs de manière produire un contre-champ magnétique qui annule le champ appliqué à l intérieur Walter Meissner 22

23 La lévitation magnétique La lévitation d un aimant permanent et fixe est impossible (théorème de Earnshaw) Par contre, une toupie magnétique peut léviter (levitron) Mais l ajustement est très délicat Ainsi qu un objet diamagnétique (par ex. : une grenouille!) Mais le champ magnétique requis est énorme! M.D. Simon & A.K. Geim J.Appl. Physics 87, 6200 (2000) 23

24 Effet Meissner : type I S N N S B = 0 24

25 Effet Meissner : type II S N N S 25

26 Supraconducteurs à haute Tc structure cristalline YBa 2 Cu 3 O 7 26

27 Évolution de la température critique 160 HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 Temperature (Kelvin) Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 YBa 2 Cu 3 O 7 température de la nuit lunaire azote liquide 40 Nb NbN (La/Sr)CuO 4 MgB 2 Hg Pb (1911) 0 Nb 3 Ge année hélium liquide 27

28 Cuprates : diagramme de phase 28

29 Pourquoi la supraconductivité? (suite, encore) Dans les cuprates à haute Tc, l origine de l attraction des électrons ne fait pas encore consenus Cependant, de nombreux indices pointent vers une interaction magnétique entre les électrons, causée paradoxalement par la forte répulsion électrique des électrons On sait que la fonction d ondes des paires de Cooper a la symétrie d une orbitale d, contrairement aux supraconducteurs classiques s d 29

30 Deuxième partie Applications de la supraconductivité 30

31 Imagerie par résonance magnétique Le champ magnétique puissant (4 T) de l appareil est produit par une bobine supraconductrice. Un aimant ordinaire serait trop volumineux et générerait trop de chaleur. 31

32 Centre européen pour la physique des particules Accélérateurs de particules près de Genève à cheval sur la frontière franco-suisse 32

33 LHC Large Hadron Collider 33

34 LHC : cavités accélératrices 34

35 MagLev (Japon) Train à lévitation magnétique Vitesse maximale : 581 km/h 35

36 MagLev (Chine) Train à lévitation magnétique MagLev de l aéroport Pudong de Shanghai (technologie allemande) 36

37 Électrotechnique de puissance Moteurs et génératrices plus compacts et efficaces Régulateurs de tension 37

38 Lignes de transmission Ag BiSrCaCuO 38

39 Électronique Filtres à haute perfomance pour les stations de base de la téléphonie cellulaire Routeurs de haute performance Détecteurs de lumière ultra-sensibles (1 photon à la fois) 39

40 Détection de champs magnétiques très faibles SQUID : Superconducting quantum interference device Détection de mines ou de sous-marins Mesure de l activité cérébrale contrôle de la qualité dans les dispositifs microélectroniques etc. 40

41 Côté plus sombre : bombe EM Une bombe électromagnétique : créer une impulsion micro-onde suffisamment puissante pour mettre hors d usage l équipement électronique de l ennemi, ou les systèmes de guidage de leurs missiles. Rumeur: utilisé en 2003 en Iraq 41

42 Science vs Technologie La machine à vapeur (Watt, 1765) La thermodynamique (Carnot 1824, Clausius ~1840) L induction électromagnétique (Faraday, 1831) La dynamo et le moteur électrique (~1870/1880) L électron (Perrin-Thomson 1897) La télévision (~1940) La mécanique quantique des solides (~1930) Le transistor (1947) La révolution informatique (années 1980) Le laser (1960) Le compact disc (~1980) (1911) Les applications sont toutes récentes ou encore en cours 42

43 à Sherbrooke Patrick Fournier Serge Jandl Claude Bourbonnais David Sénéchal Mario Poirier Louis Taillefer Christian Lupien André-Marie Tremblay Expérience Théorie 43

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