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Un supraconducteur est un matériau qui, lorsqu’il est refroidi en dessous d’une température appelée température critique, perd soudainement toute sa résistance électrique, lui permettant de conduire l’électricité sans perte d’énergie . Ces matériaux présentent également une propriété magnétique très particulière : ce sont des substances parfaitement diamagnétiques, c’est-à-dire qu’elles excluent les lignes de champ magnétique. Cela signifie que lorsqu’elles sont placées à proximité d’un aimant, les lignes de champ magnétique traversent les côtés, mais ne pénètrent pas dans le matériau.
Lorsqu’un courant électrique est induit dans un matériau supraconducteur, tel qu’un fil circulaire, ce courant continue de circuler indéfiniment tant que le matériau reste froid. Ce courant sans résistance est appelé supercourant et sert, entre autres, à générer des champs magnétiques très puissants.
La supraconductivité, c’est-à-dire la propriété d’un matériau à devenir supraconducteur en dessous de la température critique, fut découverte en 1911 et stupéfia complètement les physiciens de l’époque. Il a fallu plus de deux décennies avant que ses propriétés diamagnétiques (appelées effet Meissner ) soient découvertes, et près d’un demi-siècle avant que les physiciens puissent expliquer pourquoi la supraconductivité se produit. C’est en 1957 que John Bardeen, Leon Cooper et Bob Schrieffer ont résolu le problème, ce qui leur a valu le prix Nobel de physique en 1972.
Supraconducteurs à température critique et à haute température
Le premier supraconducteur découvert a une température critique de seulement 3,6 K, ce qui équivaut à -269,6 °C. Générer et maintenir des températures aussi basses est extrêmement difficile, ce qui a limité l’utilisation des supraconducteurs à une poignée d’applications très spécifiques, comme nous le verrons plus loin dans cet article.
Pour cette raison, des centaines de scientifiques dans le monde travaillent constamment au développement de supraconducteurs avec une température critique proche de la température ambiante. Ces matériaux sont appelés supraconducteurs à haute température.
Les premiers progrès ont augmenté la température critique de quelques dizaines de degrés, mais récemment, un supraconducteur avec une température critique de 14,5 °C a été développé pour la première fois.
types de supraconducteurs
Il existe essentiellement deux types de supraconducteurs, en fonction de leur composition et de la manière dont ils interagissent avec les champs magnétiques.
Supraconducteurs de type I
Ce sont les premiers à être découverts. Ce sont des éléments purs qui présentent l’effet Meissner, c’est-à-dire qu’ils repoussent les champs magnétiques lorsqu’ils sont en dessous de la température critique. En général, ils ont une seule température critique caractéristique de chaque matériau et la chute de la résistance électrique en dessous de la température critique est brutale.
Supraconducteurs de type II
Ceux-ci consistent en des mélanges de différents éléments qui se combinent pour former des alliages ou des matériaux céramiques qui présentent une supraconductivité. Ce qui les différencie des supraconducteurs de type I, c’est que la chute de la résistance électrique est progressive, ils ont donc deux températures critiques : une lorsque la résistance commence à chuter et une autre lorsqu’elle atteint zéro.
Une autre caractéristique importante de ce type de supraconducteur est que si un champ magnétique externe suffisamment puissant est appliqué, le matériau perd sa supraconductivité.
Utilisations des supraconducteurs
accélérateurs de particules
L’application la plus impressionnante des supraconducteurs à ce jour se situe peut-être dans le domaine de la recherche scientifique autour de la physique des particules. Les supraconducteurs sont utilisés dans les électroaimants qui maintiennent le faisceau de particules confiné dans le Large Hadron Collider, l’une des plus grandes machines construites par l’homme.
énergie thermonucléaire
La fusion nucléaire est la source rêvée d’énergie propre depuis 100 ans. Cependant, pour que la fusion nucléaire se produise et pour la maintenir, l’hydrogène et l’hélium gazeux doivent être chauffés jusqu’à 100 millions de degrés Celsius pendant qu’ils tournent à l’intérieur d’un beignet creux appelé Tokamak, où ils sont confinés par de puissants électroaimants faits de supraconducteurs. .
l’informatique quantique
L’une des implémentations les plus prometteuses de l’informatique quantique utilise des circuits supraconducteurs, essentiels à son fonctionnement.
Imagerie diagnostique médicale
Le développement des supraconducteurs a permis la création d’appareils et de techniques de diagnostic par imagerie médicale qui n’étaient pas possibles auparavant. L’une de ces techniques est la magnétoencéphalographie SQUID, qui est capable de détecter des changements dans les champs magnétiques d’un milliardième du champ magnétique nécessaire pour déplacer une aiguille de boussole.
production d’électricité
Enfin, une autre application récente est l’utilisation de générateurs d’électricité en fil supraconducteur au lieu de fil de cuivre. Ces générateurs sont beaucoup plus efficaces que les générateurs conventionnels, et beaucoup plus petits et légers.
Les références
Charles Slicher (2007). Introduction à l’histoire de la supraconductivité (pour les étudiants en physique et les scientifiques). Extrait de https://history.aip.org/exhibits/mod/superconductivity/01.html
Castelvecchi, D. (octobre 2020). Le premier supraconducteur à température ambiante excite – et déconcerte – les scientifiques. Nature 586, 349. Extrait de https://www.nature.com/articles/d41586-020-02895-0
Snider, E., Dasenbrock-Gammon, N., McBride, R. et al. (2020). Supraconductivité à température ambiante dans un hydrure de soufre carboné. Nature 586, 373–377. Extrait de https://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z#citeas
