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La supraconductivité: une manifestation du froid qui a fasciné les physiciens et chimistes Par Marcel Ausloos et Rudi Cloots Professeurs à lUniversité

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Présentation au sujet: "La supraconductivité: une manifestation du froid qui a fasciné les physiciens et chimistes Par Marcel Ausloos et Rudi Cloots Professeurs à lUniversité"— Transcription de la présentation:

1 La supraconductivité: une manifestation du froid qui a fasciné les physiciens et chimistes Par Marcel Ausloos et Rudi Cloots Professeurs à lUniversité de Liège Des « super » conducteurs venus du froid

2 Les hommes de la préhistoire surent très tôt fabriquer le chaud en maîtrisant le feu…tout en confiant à leurs femmes le soin de lentretenir. En revanche, au début du XIXème siècle, personne ne fabriquait le froid!

3 Cette conférence est consacrée à une des manifestations du froid qui, dès sa découverte, a fasciné les physiciens. Il sagit de la supraconductivité. Elle sest avérée un filon fructueux pour la mise au point de théories et de méthodes qui ont rejailli sur la physique des particules élémentaires ou la cosmologie. Ce sujet navait rencontré jusquen 1986 quune audience très limitée. La situation a changé en 1986 avec la découverte de matériaux pouvant être supraconducteurs bien loin au-dessus du zéro absolu.

4 Cest à Leiden, aux Pays-Bas, que fut observée en 1911 pour la première fois la disparition surprenante de la résistivité du mercure à 4,2 degrés au-dessus du zéro absolu (cest là que fut liquéfié pour la première fois lhélium en 1908). La supraconductivité qui venait dêtre découverte par Gilles Holst, offrit à son patron, Kamerlingh Onnes le prix Nobel. Résistivité Température (K)

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6 Pour tenter de comprendre la nature de létat supraconducteur, il était nécessaire de mieux le caractériser que ne lavait fait Kamerlingh Onnes. Un supraconducteur était-il autre chose quun conducteur parfait? Il fallut attendre la fin du monopole hollandais de lhélium liquide à Leiden pour que W. Meissner, à Berlin, montre quà lintérieur dun supraconducteur le champ magnétique est rigoureusement nul.

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8 Comment se comporte un matériau supraconducteur en présence dun champ magnétique? Les étapes successives que traverse un supraconducteur soumis à un champ magnétique croissant sont les suivantes: Jusquà une valeur de champ magnétique appelée Hc1, aucun flux ne magnétique ne pénètre; dès quon atteint cette valeur, une quantité finie de flux magnétique pénètre dun seul coup et une nouvelle structure se met en place, caractérisée par un réseau régulier de filaments non supraconducteurs.

9 First image of Vortex lattice, 1967 Bitter Decoration Pb-4at%In rod, 1.1K, 195G U. Essmann and H. Trauble Max-Planck Institute, Stuttgart Physics Letters 24A, 526 (1967) Physics Letters 24A, 526 (1967) Magneto-optical image of Vortex lattice, 2001 Magneto-Optical Imaging NbSe2 crystal, 4.3K, 3G P.E. Goa et al. University of Oslo Supercond. Sci. Technol. 14, 729 (2001) Supercond. Sci. Technol. 14, 729 (2001)

10 ZFC FC

11 Lâge des matériaux: Depuis que la supraconductivité sétait engagée dans limmense fourre-tout de la recherche sur les matériaux, il devenait très difficile de percevoir dans quelle direction il valait mieux faire porter ses efforts. La recherche des supraconducteurs à plus hautes températures ne relevait daucun programme. Découverte de Bednorz et Müller Découverte de Chu et Wu

12 Au milieu des années 80 le record pour la température dapparition de la supraconductivité était détenu par un trio de chercheurs des laboratoires Bell pour le Nb 3 Ge (Tc = 23,2K). A cette époque seuls les oxydes LiTi 2 O 4 et Ba(Pb,Bi)O 3 présentaient des propriétés supraconductrices. Cest sur cette base quun fellow dIBM, K.A. Müller, choisit dinvestiguer plus en détail les oxydes, en compagnie dun autre chercheur dIBM, G. Bednorz.

13 Lidée maîtresse, basée sur le concept de linteraction électron-phonon (les vibrations des ions du réseau) introduite vingt ans auparavant par Bardeen, Cooper et Schrieffer, consiste à envisager depuis létat supraconducteur une transition vers un état isolant (lorsque cette interaction électron-phonon devient trop forte!). Ceci, selon Müller, pouvait fournir un point de départ pour qui voulait mener une course « éclairée » vers des plus hautes températures critiques. GAP dans la mer délectrons

14 Cest un article de B. Raveau et Cl. Michel (à lUniversité de Caen), traitant dun oxyde mixte de cuivre, de lanthane (et de calcium), utilisé comme capteur pour la mesure de pression doxygène (en raison des lacunes en oxygène quil contient et de leur impact sur les propriétés électriques) qui conduit Müller à pousser plus en avant létude des propriétés électriques à basse température. Perovskite ABO 3

15 Facteur de tolérance et dopage: Taux de dopage pseudogap Dopage optimum

16 isolantsupraconducteur Dopage par transfert de charge LYBaCuO: une véritable ingéniérie moléculaire

17 Applications: Médicale Les tokamaks Le stockage de lélectricité, les trains à lévitation magnétique, lélectronique (SQUID, Jonctions Josephson,…)

18 Train à lévitation magnétique

19 Les activités liégeoises: le stockage dénergie

20 Les activités liégeoises: le blindage magnétique Blindage électromagnétique aux hautes fréquences : par matériaux bon conducteurs (en vertu de l'effet de peau). Le blindage magnétique aux basses fréquences (typiquement f < 1 kHz) par matériaux conducteurs est problématique ( dès que l'épaisseur de peau est plus grande que l'épaisseur de l'écran de blindage ). Solution classique : matériaux ferromagnétiques, de grande perméabilité relative (~ 10 5 ), tels que le Mumétal. Inconvénients majeurs : prix élevé, difficulté de formage, induction de saturation faible (~ 0.75 T). Les propriétés diamagnétiques des supraconducteurs offrent une alternative intéressante. Notre projet : réalisation de blindages magnétiques constitués de films épais de supraconducteurs à haute température critique (HTS), et étude de la distribution du champ d'induction magnétique par imagerie magnéto- optique. H i << H a


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