Présentation - Département de physique
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UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La Supraconductivité Une introduction gentille C’est à dire sans mathématiques ... David Sénéchal Département de physique Faculté des sciences Université de Sherbrooke UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité 1 Première partie Le phénomène physique UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité 2 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 UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité 3 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 = –273.15 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 UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité 4 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 Tc sont très bas. Étudiés pour leur intérêt fondamental, pas pour les applications. Supraconducteurs dits à “fermions lourds” Supraconducteurs dits à “haute température critique” • • UNIVERSITÉ DE Céramiques à base d’oxydes de cuivre Les Tc les plus élevées (record = 125 K). Refroidis à l’azote liquide (77 K). SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité 5 Éléments supraconducteurs UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité 6 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 UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité 7 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 : • • • Georg Simon Ohm (1789/1854) Chauffage électrique Grille-pain, etc. Souvent nuisible : • Pertes énergétiques dans le transport du courant et tous les appareils électriques UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE James Prescott Joule (1818/1899) La supraconductivité 8 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 UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE image STM d’un alliage Ni-Pt La supraconductivité 9 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. UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité 10 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). UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité 11 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 UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité 12 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) UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité 13 Pourquoi la supraconductivité ? (suite) • • Les électrons forment des paires (paires de Cooper) • 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) Ces paires se retrouvent toutes dans le même état quantique (cohérence quantique) : 1022 électrons dans le même état, comme un immense atome! John Bardeen UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE Leon Cooper Robert Schrieffer FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité 14 La solidarité des paires de Cooper UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité 15 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 • Fermi Dirac Bose Einstein 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. UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité 16 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! UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité 17 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 André-Marie Ampère (1775/1836) Arago construit le premier électroaimant : coeur de fer entouré d’un bobinage Dominique François Arago (1786/1853) UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité 18 Les aimants Faraday popularise le concept de ligne de force, ou de champ magnétique UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE Michael Faraday (1891/1867) La supraconductivité 19 Les aimants Les lignes de champ magnétique sont apparentes lorsqu’un aimant est mis en présence de limaille de fer UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité 20 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 UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité 21 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 ! = -1 du matériau. • Walter Meissner parfait Un courant (supercourant) Écrantage est généré sans pertes dans le matériau (l’effet Meissner) supraconducteurs de manière produire un contre-champ magnétique qui annule le champ appliqué à l’intérieur UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité 22 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! UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE M.D. Simon & A.K. Geim J.Appl. Physics 87, 6200 (2000) La supraconductivité 23 Effet Meissner : type I S N N S UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE B=0 FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité 24 Effet Meissner : type II S N N S UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité 25 Supraconducteurs à haute Tc structure cristalline YBa2Cu3O7 UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité 26 Évolution de la température critique Temperature (Kelvin) 160 120 Hg (1911) SHERBROOKE température de la nuit lunaire Bi2Sr2Ca2Cu3O10 YBa2Cu3O7 80 40 UNIVERSITÉ DE HgBa2Ca2Cu3O8 azote liquide Nb NbN (La/Sr)CuO4 Pb 0 1910 MgB2 Nb3Ge 1960 1980 année FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE 2000 hélium liquide La supraconductivité 27 Cuprates : diagramme de phase UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité 28 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 UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE d FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité 29 Deuxième partie Applications de la supraconductivité UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité 30 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. UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité 31 Accélérateurs de particules Centre européen pour la physique des particules près de Genève à cheval sur la frontière franco-suisse 32 UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité LHC Large Hadron Collider 33 UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité LHC : cavités accélératrices 34 UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité MagLev (Japon) Train à lévitation magnétique Vitesse maximale : 581 km/h UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité 35 MagLev (Chine) Train à lévitation magnétique MagLev de l’aéroport Pudong de Shanghai (technologie allemande) UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité 36 Électrotechnique de puissance Moteurs et génératrices plus compacts et efficaces Régulateurs de tension www.amsuper.com UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité 37 Lignes de transmission Ag B iSrC aCuO UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité 38 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) www.suptech.com UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité 39 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. UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité 40 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 UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité 41 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) La supraconductivité (1911) Les applications sont toutes récentes ou encore en cours UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité 42 La supraconductivité à Sherbrooke Patrick Fournier Mario Poirier Serge Jandl Louis Taillefer Claude Bourbonnais Christian Lupien Expérience UNIVERSITÉ DE SHERBROOKE David Sénéchal André-Marie Tremblay Théorie FACULTÉ des SCIENCES DÉPARTEMENT de PHYSIQUE La supraconductivité 43
