Liste des supraconducteurs et de leur fonctionnement

Introduction

La supraconductivité est un phénomène physique fascinant dans lequel certains matériaux, lorsqu'ils sont refroidis en dessous d'une température critique, présentent une résistance électrique nulle et l'expulsion de champs magnétiques. Ce phénomène les rend essentiels dans diverses applications, notamment l'imagerie médicale, le stockage de l'énergie et les transports. Voyons comment fonctionnent les supraconducteurs à l'aide de dix exemples de matériaux supraconducteurs.

Comment fonctionnent les supraconducteurs ?

La supraconductivité se produit lorsque les électrons d'un matériau s'associent pour former ce que l'on appelle des paires de Cooper. Ces paires se déplacent dans le matériau sans se disperser, ce qui entraîne une résistance électrique. Dans les conducteurs normaux comme le cuivre ou l'aluminium, les électrons rencontrent une résistance lorsqu'ils entrent en collision avec les atomes, ce qui entraîne une perte d'énergie. Toutefois, dans les supraconducteurs, une fois que le matériau est refroidi en dessous d'une température critique, ce phénomène de circulation du courant sans résistance se produit, permettant à l'énergie de se déplacer sans perte.

Au niveau quantique, la supraconductivité est expliquée par la théorie BCS (Bardeen, Cooper et Schrieffer). Cette théorie décrit comment l'interaction entre les électrons et les vibrations du réseau cristallin conduit à la formation de paires de Cooper. Ces paires se déplacent collectivement, sans dispersion, ce qui rend le matériau capable de conduire l'électricité sans dissipation d'énergie.

Propriétés des supraconducteurs

Les supraconducteurs possèdent un ensemble unique de propriétés qui les distinguent des autres matériaux :

Figure 1 Température critique des supraconducteurs[1]

• Résistance électrique nulle: La propriété la plus importante des supraconducteurs est qu'ils permettent à l'électricité de circuler sans aucune résistance, ce qui élimine la perte d'énergie lors de la transmission.
• Effet Meissner: Les supraconducteurs présentent l'effet Meissner, c'est-à-dire qu'ils expulsent les champs magnétiques de leur intérieur lorsqu'ils passent à l'état supraconducteur. Ce phénomène permet des applications telles que la lévitation magnétique.
• Température critique (Tc) : Chaque supraconducteur a une température critique spécifique en dessous de laquelle il présente une supraconductivité. Cette température varie en fonction du matériau. Par exemple, certains supraconducteurs à haute température ont une température critique supérieure au point d'ébullition de l'azote liquide (-196°C).
• Lévitation quantique: Les supraconducteurs peuvent léviter au-dessus des aimants grâce à l'interaction entre l'expulsion des champs magnétiques par le supraconducteur et le champ généré par l'aimant. Ce principe est utilisé dans des technologies telles que les trains maglev.
• Capacité de transport de courant élevée: Les supraconducteurs peuvent transporter des courants électriques beaucoup plus élevés que les conducteurs classiques, ce qui les rend idéaux pour les applications à haute énergie telles que les accélérateurs de particules.

10 exemples de supraconducteurs

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1. Niobium(Nb) Le niobium est l'un des supraconducteurs les plus couramment utilisés en raison de sa température critique relativement élevée de 9,25 K et de sa facilité d'utilisation dans des applications pratiques telles que les appareils IRM et les accélérateurs de particules.
2. Oxyde de cuivre et de baryum (YBCO) L'YBCO est un supraconducteur à haute température dont la température critique est d'environ 93 K, ce qui le rend idéal pour des applications dans l'industrie de l'énergie, notamment les câbles d'alimentation et les blindages magnétiques.
3. Diborure de magnésium (MgB2) Le diborure de magnésium, dont la température critique est de 39 K, est un supraconducteur relativement bon marché. Il trouve des applications dans l'électronique, le stockage de l'énergie et la technologie IRM.
4. Plomb (Pb) Le plomb a été l'un des premiers matériaux dont on a découvert la supraconductivité. Sa température critique est de 7,2 K et il est utilisé dans diverses expériences scientifiques et applications nécessitant des températures basses.
5. Oxyde de bismuth strontium calcium cuivre (BSCCO) Le BSCCO est un autre supraconducteur à haute température, dont la température critique est d'environ 108 K. Il est utilisé dans les câbles électriques, les aimants et d'autres dispositifs électriques.
6. Supraconducteurs à base de fer Les supraconducteurs à base de fer, une classe relativement nouvelle découverte en 2008, sont connus pour leurs températures critiques élevées et leur potentiel dans les applications électroniques et énergétiques.
7. Tungstène (W) Le tungstène est un matériau de haute densité qui présente une supraconductivité à très basse température, ce qui le rend utile dans certaines applications de niche, notamment les aimants à haut champ.
8. VanadiumGallium (V3Ga) Le vanadium gallium est un supraconducteur dont la température critique est relativement élevée (13,8 K). Il est utilisé dans des applications qui requièrent à la fois la supraconductivité et des champs magnétiques élevés.
9. Oxydede cuivre (CuO) L'oxyde de cuivre est un exemple de supraconducteur à haute température qui fonctionne à plus de 77 K, la température de l'azote liquide. Il est utilisé dans les appareils électriques et électroniques de pointe.
10. L'oxydede cuivre au lanthane et strontium (LSCO) fait partie de la classe des supraconducteurs à haute température, avec des applications dans la recherche et l'électronique, notamment dans les dispositifs nécessitant une faible perte d'énergie.

Liste des supraconducteurs

Voici un tableau récapitulatif des exemples les plus courants de supraconducteurs. Pour plus d'informations et d'exemples, veuillez consulter le site Stanford Advanced Materials (SAM).

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Conclusion

Avec une résistance électrique nulle et des propriétés magnétiques uniques, les supraconducteurs révolutionnent des domaines allant de l'imagerie médicale aux transports. Les recherches se poursuivant, il est probable que de nouveaux matériaux présentant des températures critiques plus élevées seront découverts, ce qui ouvrira la voie à des applications encore plus nombreuses.

Référence :

[1] Lebrun, Philippe & Tavian, Laurent & Vandoni, Giovanna & Wagner, U. (2002). Cryogenics for Particle Accelerators and Detectors.

[2] Yao, Chao & Ma, Yanwei. (2021). Matériaux supraconducteurs : Challenges and opportunities for large-scale applications. iScience. 24. 102541. 10.1016/j.isci.2021.102541.

[3] Liste des supraconducteurs. (2024, 16 août). Dans Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_superconductors