Qu'est-ce que la supraconductivité ?

Considérez votre voiture : en moyenne, seulement 12,6 % de l'énergie chimique que vous pompez à plus de 3,50 $ (ou tout ce que vous payez) par gallon se traduit en mouvement. Le reste sert à surmonter la traînée, l'inertie et d'autres inefficacités mécaniques, avec un énorme 62,4 % consommé par la friction du moteur, les pompes à air et la chaleur perdue [source : California Energy Commission ].

La chaleur apparaît dans toutes sortes de systèmes. Tel un détourneur d'énergie, il écume les réactions chimiques, les systèmes physiques et les circuits électriques . Que ce soit la conséquence d'une perte d'efficacité ou sa cause, le résultat est que vous subissez une perte dans la transaction. La chaleur est la raison pour laquelle nous ne pouvons pas réaliser un mouvement perpétuel (ou un mouvement qui ne cesse jamais).

C'est aussi la raison pour laquelle les centrales électriques doivent amplifier le courant à des tensions élevées lorsqu'elles le transmettent à travers le pays : pour surmonter l'énergie perdue par la résistance - la contrepartie électrique du frottement. Imaginez si nous pouvions trouver un moyen d'éliminer la résistance, éliminant ainsi la perte d'énergie : pas de frais de service, pas de taxes et pas d'argent de protection. Énergie entrante = Énergie sortante.

Entrez les supraconducteurs. Si les trois lois de la thermodynamique disent qu'il n'y a pas de repas gratuit, alors les supraconducteurs ont leur gâteau et le mangent aussi. Envoyez du courant à travers un fil supraconducteur, et il ne perd aucune énergie à la résistance. Pliez le fil en boucle et il tiendra la charge indéfiniment. Faites-le léviter au-dessus d'un aimant , et le soleil dévorera la Terre avant qu'elle ne tombe.

Peu de temps après sa découverte en 1911 par le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes et ses collaborateurs, Cornelis Dorsman, Gerrit Jan Flim et Gilles Holst, la supraconductivité a inspiré des rêves de transmission électrique sans perte. Malheureusement, il y avait un hic.

Les supraconducteurs nécessitent des températures très froides, de l'ordre de 39 kelvins (moins 234 C, moins 389 F) pour les supraconducteurs conventionnels. Le fil de mercure solide utilisé par Kamerlingh Onnes nécessitait des températures inférieures à 4,2 K (moins 269,0 C, moins 452,1 F). Même les soi-disant supraconducteurs à haute température n'exercent leur magie qu'en dessous de 130 K (moins 143 C, moins 225,7 F).

Pour aggraver les choses, les supraconducteurs quittent leur état sans résistance s'ils sont exposés à un champ magnétique trop important - ou à trop d'électricité.

Tout n'était pourtant pas perdu. Les supraconducteurs modernes, tels que le niobium-titane (NbTi), ont relevé la barre de la charge magnétique qu'ils peuvent tolérer. Leurs champs magnétiques supérieurs les rendent utiles dans certains trains maglev , ainsi que dans les accélérateurs de protons, comme celui du Fermilab, ou les machines IRM , leur application la plus courante. Dans un avenir proche, les chercheurs espèrent les utiliser dans les technologies énergétiques émergentes, telles que les systèmes de stockage d'énergie ou les éoliennes à haut rendement .

Avant d'examiner les manières choquantes dont les supraconducteurs contournent la résistance, examinons comment fonctionne la résistance.

1. La résistance est futile
2. Bonnes vibrations
3. Types de supraconducteurs : personnalités magnétiques
4. Types de supraconducteurs : Tamales (relativement) chauds

Certains conducteurs sont meilleurs que d'autres; la clé est l'organisation. Les bons chefs de train maintiennent les chemins de fer à l'heure - et Arturo Toscanini a permis à l'Orchestre symphonique de la NBC de jouer à l'heure - en assemblant des éléments complexes dans des systèmes ordonnés.

Les bons conducteurs électriques présentent une organisation tout aussi harmonieuse mais doivent faire face à des résistances. En fait, la résistance est ce qui sépare les conducteurs conventionnels de leurs cousins ​​super puissants.

Pensez aux électrons libres dans un conducteur typique comme à des gens qui se pressent autour d'un terminal de train. Un courant appliqué est comme la cloche annonçant l'arrivée du train : en un instant, les mouvements individuels se transforment en un mouvement unique et uni vers les quais -- ou le feraient, n'eût été quelques fauteurs de trouble qui trébuchent, se bousculent, tergiversent dans les kiosques à journaux ou refuser de faire place sur l'escalator. Grâce à la résistance qu'ils procurent, certains voyageurs ratent le train, et le courant perd de l'énergie. Telle est la vie à Conductor Terminal.

Maintenant, remplacez ces voyageurs par un flash mob sous couverture . À la cloche, ils s'associent et exécutent une danse synchronisée et chorégraphiée à travers le terminal. Personne ne rate le train, et ils sont tous moins fatigués quand ils arrivent. C'est la merveille du voyage dans la station Superconductor.

Avant d'étudier les étapes de cette particule pas de deux, prenons un peu de recul et examinons comment la résistance brouille les matériaux banals. Nous allons commencer simple et ajouter de la complexité au fur et à mesure.

Bien qu'il existe des exceptions, lorsque nous parlons de courant électrique , nous entendons généralement un flux d'électrons traversant un milieu. La capacité d'un matériau à conduire l'électricité dépend de la facilité avec laquelle ses atomes composants donnent des électrons. Les isolateurs sont avares, tandis que les conducteurs dépensent les leurs comme des matelots en congé à terre.

Les électrons donnés, maintenant connus sous le nom d' électrons de conductance , ne tournent pas autour d'atomes individuels mais flottent librement dans le conducteur, comme nos navetteurs de train ci-dessus. Lorsqu'un courant est appliqué, ils traversent le matériau et transmettent de l'électricité.

Un conducteur est constitué d'un réseau d'atomes ; pour que l'électricité circule, les électrons doivent traverser ce réseau avec le moins d'interférences possible. Comme un tas de balles de tennis lancées dans un gymnase de la jungle, il y a de bonnes chances que certains électrons frappent le réseau. Les chances d'interférence augmentent si les zones sont déformées. Ainsi, il est facile de voir comment les défauts matériels constituent une cause de résistance dans les conducteurs.

Dans cette analogie avec la jungle gym, les atomes sont représentés par les intersections de tiges métalliques. En réalité, le treillis d'un conducteur n'est pas rigide ; ses atomes vibrent et les interactions qui les relient oscillent, il est donc préférable de le considérer comme une grille de ressorts. Qu'est-ce qui fait vibrer ces atomes ? Plus la température est élevée, plus le réseau vibre et plus nos balles de tennis risquent de se heurter à des interférences. Évoquez la deuxième source majeure de résistance à notre vieil ami, la chaleur.

Cela soulève la question suivante : si la chaleur est le problème, le froid n'est-il pas la solution ? Détendez-vous une seconde : nous y reviendrons dans la section suivante.

Si la chaleur augmente la résistance, baisser le thermostat devrait la diminuer, n'est-ce pas ? Eh bien, c'est le cas, dans certaines limites. Dans les conducteurs normaux, la résistance chute à mesure que le thermomètre baisse, mais elle ne disparaît jamais. Les supraconducteurs fonctionnent un peu différemment.

Lorsqu'un supraconducteur se refroidit, il suit une courbe similaire de résistance graduellement décroissante jusqu'à ce qu'il atteigne sa température critique particulière ; puis, brusquement, toute résistance disparaît. C'est comme si la résistance perdait lentement un bras de fer avec la conductance puis, frustrée, lâchait la corde. En fait, la substance subit une transition de phase . Comme la glace qui fond dans l'eau, le matériau conventionnel prend un nouvel état, celui avec une résistance nulle.

Pour comprendre ce qui se passe ici, nous devons apporter quelques modifications à notre gymnase atomique dans la jungle. Plus précisément, nous devons commencer à prendre en compte le magnétisme .

Lorsque les atomes d'un conducteur cèdent des électrons, ils deviennent des ions chargés positivement, provoquant une attraction nette entre le réseau atomique et les électrons chargés négativement qui le traversent. En d'autres termes, comme si les vibrations et les déformations ne suffisaient pas, les balles de tennis que nous lançons dans notre jungle gym oscillante sont des aimants. Vous pourriez supposer que cela augmenterait leurs chances de rencontrer une résistance en traversant notre grille bancale, et vous auriez raison - pour les conducteurs normaux. Les supraconducteurs, cependant, l'utilisent à leur avantage.

Imaginez une paire de balles de tennis lancées à travers la grille, l'une chaude sur la queue de l'autre. Lorsque la première boule traverse le réseau chargé positivement, elle attire les atomes environnants vers elle. En se regroupant, ces atomes créent une zone locale de charge positive plus élevée, ce qui augmente la force tirant le deuxième électron vers l'avant. Par conséquent, l'énergie dépensée pour passer à travers, en moyenne, atteint le seuil de rentabilité.

Comme des danseurs carrés, ces paires de Cooper se forment et se séparent constamment, mais l'effet global se perpétue sur toute la ligne, permettant aux électrons de traverser le supraconducteur comme un éclair graissé.

Les paires de Cooper portent le nom du physicien Leon N. Cooper qui, avec John Bardeen et John Robert Schrieffer , a proposé le premier modèle réussi expliquant la supraconductivité dans les supraconducteurs conventionnels. Leur réalisation, connue sous le nom de théorie BCS en leur honneur, leur a valu le prix Nobel de physique en 1972.

Cependant, la supraconductivité a refusé de rester coincée longtemps; peu de temps après que la théorie BCS ait atteint le terrain, les chercheurs ont commencé à découvrir d'autres supraconducteurs - tels que des oxydes de cuivre supraconducteurs à haute température - qui ont brisé le modèle BCS.

Dans cette prochaine section, nous verrons ce qui distingue ces supraconducteurs exotiques des autres.

Permanente

La mécanique quantique nous dit que les électrons présentent à la fois des propriétés de particules et d'ondes. Ainsi, pour conceptualiser la résistance et la supraconductivité, vous devez imaginer les électrons comme des ondes se propageant à travers un matériau, comme des ondulations sur un étang. La résistance causée par les vibrations des ions excités s'apparente à des pierres jetées dans ce lac, créant des contre-ondulations qui interfèrent avec ou annulent l'onde électronique. La différence entre les conducteurs normaux et les supraconducteurs réside dans le degré d'organisation impliqué. Dans les supraconducteurs, tous les électrons adoptent une vitesse et une direction presque identiques, formant une seule onde organisée qui résiste aux perturbations.

Selon la façon dont vous tranchez le gâteau, il existe soit de nombreux types de supraconducteurs, soit seulement deux. Cependant, du point de vue de leur comportement dans les champs magnétiques, les scientifiques les classent généralement en deux groupes.

Un supraconducteur de type I est généralement constitué d'un métal pur. Lorsqu'il est refroidi en dessous de sa température critique, un tel matériau présente une résistivité électrique nulle et affiche un diamagnétisme parfait , ce qui signifie que les champs magnétiques ne peuvent pas le pénétrer tant qu'il est à l'état supraconducteur.

Les supraconducteurs de type II sont généralement des alliages et leur diamagnétisme est plus complexe. Pour comprendre pourquoi, nous devons examiner comment les supraconducteurs réagissent au magnétisme .

Tout comme chaque supraconducteur a une température critique qui établit ou interrompt son état supraconducteur, chacun est également soumis à un champ magnétique critique . Un supraconducteur de type I entre et sort de l'état supraconducteur à un tel seuil, mais un matériau de type II change d'état deux fois, à deux seuils de champ magnétique différents.

La distinction entre les matériaux de type I et de type II ressemble à la différence entre la neige carbonique (dioxyde de carbone solide) et la glace d'eau. Les deux solides se refroidissent bien, mais ils gèrent la chaleur différemment : la glace d'eau fond dans un état mixte, l'eau glacée, tandis que la neige carbonique se sublime : à pression normale, elle passe directement du solide au gaz.

En ce qui concerne le magnétisme, un supraconducteur de type I est comme de la neige carbonique : lorsqu'il est exposé à son champ critique, sa supraconductivité brûle instantanément. Un type II est plus polyvalent.

Dans un champ faible, un matériau de type II présente un comportement similaire à un type I, tout comme H ₂ O et CO ₂ se refroidissent efficacement lorsqu'ils sont à l'état solide. Augmentez le champ magnétique au-dessus d'un certain seuil, cependant, et le matériau se réorganise dans un état mixte - un état de vortex dans lequel de petits tourbillons de courant supraconducteur circulent autour d'îlots de matériau normal. Comme l'eau glacée, il fait toujours assez bien son travail. Si l'intensité du champ magnétique augmente, cependant, les îlots de normalité se développent ensemble, détruisant ainsi les tourbillons environnants de supraconductivité.

Que signifie cet état mixte pour le magnétisme ? Nous avons discuté de ce qui se passe lorsqu'un supraconducteur se réchauffe. Maintenant, regardons-le de l'autre côté.

Dans leurs états normaux et chauds, les matériaux de type I et de type II permettent aux champs magnétiques de les traverser, mais à mesure qu'ils se refroidissent vers leurs températures critiques, ils expulsent de plus en plus ces champs; les électrons dans le matériau créent des courants de Foucault qui produisent un contre-champ, un phénomène connu sous le nom d' effet Meissner .

Lorsqu'ils atteignent leur température critique, les supraconducteurs de type I évacuent tout champ magnétique restant comme autant de colocataires morts-vivants. Selon la force du champ magnétique dans lequel ils existent, les champs de type II peuvent faire la même chose - ou ils peuvent devenir un peu collants. S'ils sont dans un état de vortex , le champ magnétique qui circule encore à travers les îlots de matériau normal dans leurs flux supraconducteurs peut se coincer, un phénomène connu sous le nom d' épinglage de flux (voir encadré) Le flux magnétique est une mesure de la quantité de champ magnétique traversant une surface donnée.

Parce qu'ils peuvent rester supraconducteurs dans ce champ magnétique plus fort, les matériaux de type II comme le niobium-titane (NbTi) font de bons candidats pour le type d'aimants supraconducteurs trouvés, par exemple, dans l'accélérateur de protons du Fermilab ou dans les appareils IRM .

Quand les grenouilles volent

En 2000, Andre Geim et Sir Michael Berry ont remporté le prix Ig Nobel de physique en faisant léviter une grenouille, ainsi que de l'eau et des noisettes, à l'aide d'un supraconducteur et du diamagnétisme. Bien que nous ayons tendance à considérer l'eau et les tissus organiques comme non magnétiques, certains éléments et la plupart des composés présentent un effet répulsif très faible lorsqu'ils sont placés dans un champ magnétique puissant. Les physiciens utilisent également le diamagnétisme pour faire léviter de manière stable les supraconducteurs. L'astuce réside dans les supraconducteurs de type II comme l'oxyde de cuivre et de baryum yttrium, qui permettent à un certain champ magnétique de passer et de le fixer en place. La vidéo de "lévitation quantique" qui est devenue virale sur le Web en 2011 illustre ce type de lévitation, dans laquelle le magnétisme et le diamagnétisme se combinent pour maintenir le lévitateur parfaitement immobile, contrairement aux matériaux de type I, qui lévitent régulièrement mais vacillent, ou ferromagnétiques,

Les applications industrielles et scientifiques des supraconducteurs sont limitées par les conditions de température particulières dont ils ont besoin pour travailler leur mojo électromagnétique, il est donc logique de classer les matériaux en fonction de leurs températures critiques et de leurs exigences de pression.

Des centaines de substances, dont 27 éléments métalliques - tels que l'aluminium, le plomb, le mercure et l'étain - deviennent des supraconducteurs à basse température et à basse pression. Onze autres éléments chimiques, dont le sélénium, le silicium et l'uranium, passent à un état supraconducteur à basse température et à haute pression [source : Encyclopaedia Britannica ].

Jusqu'en 1986, lorsque les chercheurs d'IBM Karl Alexander Mulller et Johannes Georg Bednorz ont inauguré l'ère des supraconducteurs à haute température avec un oxyde de baryum-lanthane-cuivre qui atteignait une résistance nulle à 35 K (moins 238 C, moins 397 F), la plus haute critique température atteinte par un supraconducteur mesuré 23 K (moins 250 C, moins 418 F). De tels supraconducteurs à basse température nécessitaient un refroidissement par de l'hélium liquide, difficile à produire et qui avait tendance à casser les budgets [source : Haldar et Abetti ]. Les supraconducteurs à haute température portent la plage de température jusqu'à environ 130 K (moins 143 C, moins 226 F), ce qui signifie qu'ils peuvent être refroidis à l'aide d'azote liquide fabriqué à moindre coût à partir de l'air [source : Mehta ].

Si les physiciens comprennent les mécanismes régissant les supraconducteurs à basse température, qui suivent le modèle BCS, les supraconducteurs à haute température restent énigmatiques [source : CERN ]. Le Saint Graal serait d'obtenir un matériau avec une résistance nulle à température ambiante, mais jusqu'à présent, ce rêve reste insaisissable. Peut-être que cela ne peut pas être fait ou, peut-être, comme d'autres révolutions scientifiques, se trouve-t-il juste à l'horizon, attendant l'innovation technologique ou théorique nécessaire pour faire du rêve une réalité.

En attendant, les puissants avantages qu'offrent les supraconducteurs suggèrent un large éventail d'applications présentes et futures dans les domaines de l'énergie électrique, des transports, de l'imagerie médicale et du diagnostic, de la résonance magnétique nucléaire (RMN), du traitement industriel, de la physique des hautes énergies, des communications sans fil, instrumentation, capteurs, radar, informatique haut de gamme ou encore cryogénie [source : CCAS ].

En plus des applications maglev , IRM et accélérateurs de particules que nous avons mentionnées précédemment, les supraconducteurs sont actuellement utilisés commercialement dans la spectroscopie RMN, un outil clé pour la biotechnologie, la génomique, la recherche pharmaceutique et les travaux en science des matériaux. L'industrie les applique également dans un processus magnétique pour séparer l'argile de kaolin, une charge courante dans les produits en papier et en céramique.

Quant à l'avenir, si les chercheurs et les fabricants peuvent surmonter les limites de coût, de réfrigération, de fiabilité et d'acceptation des supraconducteurs, le ciel est la limite. Certains voient dans les technologies vertes, telles que les éoliennes, la prochaine étape d'une acceptation et d'une application plus répandues de la technologie, mais de plus grandes possibilités se dessinent.

Qui sait? Peut-être qu'un futur lecteur lira attentivement cet article sur un ordinateur équipé de processeurs à la vitesse de la lumière, relié à une grille alimentée par des réacteurs à fusion - tout cela grâce à la supraconductivité.

Vive La Différence

Les supraconducteurs ont une résistivité plus que nulle ; ils offrent également une densité de transport de courant extrêmement élevée, une résistance exceptionnellement faible aux hautes fréquences, une très faible dispersion du signal et une sensibilité élevée au champ magnétique. Ils excluent les champs magnétiques appliqués de l'extérieur, présentent des comportements quantiques inhabituels et sont capables de transmettre des signaux à une vitesse proche de la lumière. Cette combinaison de facteurs réécrit effectivement les règles des industries électromagnétiques et suggère de nombreuses innovations possibles, notamment l'amélioration de la transmission, de la production et du stockage de l'énergie électrique ; des aimants plus petits et plus puissants pour les moteurs ; équipement médical de pointe; composants micro-ondes améliorés pour les communications et les applications militaires ; capteurs considérablement améliorés ; et utiliser des champs magnétiques pour contenir des particules chargées.

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