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La supraconductivité 1 La Supraconductivité Une histoire damour-haine entre électrons David Sénéchal Département de physique Faculté des sciences Université

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Présentation au sujet: "La supraconductivité 1 La Supraconductivité Une histoire damour-haine entre électrons David Sénéchal Département de physique Faculté des sciences Université"— Transcription de la présentation:

1 La supraconductivité 1 La Supraconductivité Une histoire damour-haine entre électrons David Sénéchal Département de physique Faculté des sciences Université de Sherbrooke

2 La supraconductivité 2 Le phénomène physique

3 La supraconductivité 3 La résistance électrique Tout matériau oppose une certaine résistance au courant électrique (Loi dOhm : V = RI) Chaleur liée au passage du courant : leffet Joule Parfois désirable : Chauffage électrique, Grille-pain, etc. Souvent nuisible : Pertes énergétiques dans le transport dénergie Georg Simon Ohm (1789/1854) James Prescott Joule (1818/1899)

4 La supraconductivité 4 Qui a découvert la supraconductivité ? Heike Kamerlingh Onnes (1853/1926) Le premier à liquéfier lhélium (4 K) Prix Nobel de physique (1913) Étude de la résistance des métaux aux basses températures Découvre la supraconductivité du mercure (Hg) en 1911, puis de létain et du plomb température (K) résistance

5 La supraconductivité 5 La course vers le froid K = 0C James Dewar (1898) Hydrogène 20.3 K Heike Kamerlingh Onnes (1908) Hélium 4.2 K Azote 77 K Oxygène 90.2 K Eau K Karol Olszewski & Zigmunt Wróblewski (1883) zéro absolu C

6 La supraconductivité 6 Éléments supraconducteurs À pression ambiante Sous pression Sous certaines formes

7 La supraconductivité 7 Parenthèse : les aimants Les aimants naturels sont connus depuis lAntiquité 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 électro-aimant : coeur de fer entouré dun bobinage Dominique François Arago (1786/1853) André-Marie Ampère (1775/1836)

8 La supraconductivité 8 Le champ magnétique Faraday popularise le concept de ligne de force, ou de champ magnétique Michael Faraday (1891/1867)

9 La supraconductivité 9 Comment la matière réagit 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 saligner 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 (cause: principe de Pauli). Diamagnétisme Le matériau génère un courant électrique qui tente dannuler (partiellement) le champ magnétique appliqué (loi de Lenz). Causé par le mouvement orbital des électrons dans les atomes ou molécules

10 La supraconductivité 10 Au moins, les grenouilles le sont... Le diamagnétisme permet la LÉVITATION MAGNÉTIQUE! Nous sommes diamagnétiques!

11 La supraconductivité 11 Leffet Meissner Supraconductivité ~ diamagnétisme parfait Un supraconducteur exclut tout champ magnétique Si un supraconducteur à létat normal est plongé dans un champ magnétique et que sa température est abaissée en-deça de T c, le champ magnétique est expulsé du matériau. Un courant (supercourant) est généré sans pertes et annule le champ appliqué. Walther MeissnerRobert Ochsenfeld T > T c T < T c

12 La supraconductivité 12 Effet Meissner : type I vs type II Si le champ H est trop fort, lexclure demande plus dénergie que ce que la supraconduction apporte au matériau: Type I : champ totalement exclu jusquà un champ critique H c Type II : Au-dela de H c1, le champ pénètre partiellement, au travers de tubes appelés «vortex», jusquà une valeur critique H c2 type Itype II

13 La supraconductivité 13 Vortex H. F. Hess et al. Bell Labs Phys. Rev. Lett. 62, 214 (1989) réseau de vortex ou réseau dAbrikosov Les vortex sont typiquement piégés par des défauts de lordre cristallin Cet ancrage est important pour la stabilité de la lévitation magnétique Le flux magnétique de chaque vortex est quantifié en multiples de h/2e

14 La supraconductivité 14 Quantification du flux magnétique La fonction donde du supraconducteur nest pas bien définie La fonction donde du supraconducteur est bien définie Flux magnétique Φ : champ magnétique B × surface (une intégrale, en fait) ou: «nombre de lignes de champ» qui passent dans lanneau quantifié en multiples de Φ 0 = h/2e = 2.07 × T.m 2 (flux du champ terrestre au travers dun anneau de 3 microns de rayon) Effet quantique: relié à la périodicité de la fonction donde du supraconducteur

15 La supraconductivité 15 La lévitation magnétique La lévitation dun aimant permanent et fixe est impossible (théorème de Earnshaw) Par contre, une toupie magnétique peut léviter (levitron) Mais lajustement est très délicat

16 La supraconductivité 16 Lévitation magnétique

17 La supraconductivité 17 Types de matériaux supraconducteurs Supraconducteurs dits ordinaires Métaux ou alliages Les plus courants dans les applications de masse Doivent être refoidis à lhélium liquide (4 K), + coûteux Supraconducteurs organiques Constitués de molécules organiques Les Tc sont très bas. Étudiés pour leur intérêt fondamental, pas pour les applications. Supraconducteurs dits à fermions lourds Supraconducteurs dits à haute température critique Céramiques à base doxydes de cuivre Les Tc les plus élevées (record = 125 K). Refroidis à lazote liquide (77 K). Supraconducteurs à base de fer Découverts en T c maximum ~ 56 K petit train

18 La supraconductivité 18 Évolution de la température critique

19 La supraconductivité 19 Lexplication

20 La supraconductivité 20 Quest-ce quun supraconducteur ? Un matériau qui conduit lélectricité sans résistance Pas deffet 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

21 La supraconductivité 21 ABC de la physique des solides La plupart des corps solides sont des cristaux image STM dun alliage Ni-Pt joints de grains dans lacier...mais sous forme de polycristaux : assemblages de cristaux très petits

22 La supraconductivité 22 La résistance électrique Vision naïve (fausse) : les électrons libres entrent en collision avec les atomes (ions) fixes qui forment le réseau cristallin.

23 La supraconductivité 23 La résistance électrique (suite) En réalité, les électrons se propagent comme des ondes et ne sont pas déviés par les obstacles régulièrement espacés (interférence constructive).

24 La supraconductivité 24 La résistance électrique (suite) Un défaut de larrangement cristallin va entraîner une diffusion de londe, donc une résistance. Cause principale de la résistance électrique: les vibrations du réseau cristallin (phonons).

25 La supraconductivité 25 Fermions et Bosons En physique quantique, les objets dun même type sont indiscernables On ne peut pas les suivre à la trace, les étiqueter Deux types dobjets : Fermions : Ne peuvent pas se trouver dans le même état Ex: électrons, protons, etc. Principe de Pauli Bosons : Peuvent se superposer dans le même état Ex: photons. Un nombre pair de fermions forment un boson Ex: un atome dhydrogène, une paire délectrons, etc. FermiDirac EinsteinBose

26 La supraconductivité 26 Fermions vs bosons fermionsbosons Simulation du comportement dun ensemble de particules identiques lors dun refroidissement

27 La supraconductivité 27 La suprafluidité Disparition de toute viscosité dans un fluide en-deça dune température critique (ex: hélium liquide < 2.1 K) Comportement étrange : Le fluide remonte les parois dun contenant ouvert Le fluide passe par des trous aussi petits que quelques atomes Leffet fontaine : jaillissement du fluide sil est légèrement chauffé Le moment cinétique dun tourbillon de fluide est quantifié Ce comportement est un aspect de la condensation des bosons (atomes dhélium) Un supraconducteur nest autre chose quun suprafluide chargé électriquement!

28 La supraconductivité 28 La suprafluidité En deça de 2.1 K, lhélium liquide devient suprafluide ! Il peut fuir au travers dun contenant en céramique!

29 La supraconductivité 29 Paires de Cooper La supraconductivité est la condensation de paires délectrons Les paires de Cooper portent une charge 2e Les paires ne peuvent se former que si une force attire les électrons Cette force est causée, dans les supraconducteurs habituels, par les vibrations du cristal (phonons) Cette force est retardée (lente) en comparaison de la répulsion électrique

30 La supraconductivité 30 La théorie BCS John BardeenLeon CooperRobert Schrieffer Prix Nobel 1972 Les paires de Cooper se condensent en une seule onde: Elles ont toutes la même phase Cela confère une rigidité, une robustesse à lensemble et empêche la diffusion résistance nulle

31 La supraconductivité 31 La solidarité des paires de Cooper

32 La supraconductivité 32 Analogie avec la lumière Les photons ont la même phase dans un faisceau laser Ils ont des phases aléatoires dans une lumière naturelle Les photons sont des bosons

33 La supraconductivité 33 Supraconducteurs à haute T c Plans de CuO 2 séparés par des atomes (terres rares) La physique est essentiellement 2D antiferromagnétisme

34 La supraconductivité 34 Cuprates : diagramme de phase

35 La supraconductivité 35 paires de type d Le mécanisme dappariement des électrons nest pas lié aux vibrations du cristal Il est probablement dorigine magnétique Les paires de Cooper ont la symétrie dune orbitale d, contrairement aux supraconducteurs ordinaires qui ont la symétrie s

36 La supraconductivité 36 Applications de la supraconductivité

37 La supraconductivité 37 Le champ magnétique puissant (4 T) de lappareil est produit par une bobine supraconductrice. Un aimant ordinaire serait trop volumineux et générerait trop de chaleur. Imagerie par résonance magnétique

38 La supraconductivité 38 près de Genève à cheval sur la frontière franco-suisse CERN Centre européen pour la physique des particules Accélérateurs de particules

39 La supraconductivité 39 LHC Large Hadron Collider

40 La supraconductivité 40 LHC : cavités accélératrices

41 La supraconductivité 41 MagLev (Japon) Train à lévitation magnétique Vitesse maximale : 581 km/h SuspensionGuidage Propulsion

42 La supraconductivité 42 Électrotechnique de puissance Régulateurs de tension Moteurs et génératrices plus compacts et efficaces

43 La supraconductivité 43 Lignes de transmission

44 La supraconductivité 44 Électronique Filtres à haute perfomance pour les stations de base de la téléphonie cellulaire Détecteurs de lumière ultra-sensibles (1 photon à la fois)

45 La supraconductivité 45 Détection de champs magnétiques très faibles SQUID : Superconducting quantum interference device Détection de mines ou de sous-marins Mesure de lactivité cérébrale contrôle de la qualité dans les dispositifs microélectroniques etc.

46 La supraconductivité 46 bombe électromagnétique Une bombe électromagnétique : créer une impulsion micro-onde suffisamment puissante pour mettre hors dusage léquipement électronique de lennemi, ou les systèmes de guidage de leurs missiles. Rumeur: utilisée en 2003 en Iraq

47 La supraconductivité 47 Science vs Technologie ScienceTechnologie La thermodynamique (Carnot 1824, Clausius ~1840) La machine à vapeur (Watt, 1765) Linduction électromagnétique (Faraday, 1831) La dynamo et le moteur électrique (~1870/1880) Lélectron (Perrin-Thomson 1897) La télévision (~1923) La mécanique quantique des solides (~1930) Le transistor (1947) La révolution informatique (1980+) Le laser (1960) Le compact disc (~1980) La supraconductivité (1911) en cours...

48 La supraconductivité 48 La supraconductivité à Sherbrooke Laboratoire de Louis Taillefer Infrastructure commune en cryogénie: récupération de lhélium Lendroit le plus froid au Québec: 7 mK Louis Taillefer propriétés de transport de chaleur et de charge des supraconducteurs Patrick Fournier synthèse de couches minces à base de supraconducteurs

49 La supraconductivité 49 La supraconductivité à Sherbrooke (suite) André-Marie Tremblay Claude Bourbonnais David Sénéchal Rôle des théoriciens: comprendre le mécanisme de formation des paires délectrons et les conditions dexistence de la supraconductivité Mammouth: le superordinateur le plus puissant du Québec

50 La supraconductivité 50 QUESTIONS ? Merci de votre patience et de votre attention


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