Types de matériaux supraconducteurs et leurs applications

Introduction

Les matériaux supraconducteurs sont une classe remarquable de matériaux qui présentent une résistance électrique nulle et l'expulsion de champs magnétiques (effet Meissner) lorsqu'ils sont refroidis en dessous d'une température critique (Tc). Depuis leur découverte en 1911 par Heike Kamerlingh Onnes, les supraconducteurs ont révolutionné divers domaines, de l'imagerie médicale à la transmission d'énergie. Cet article présente les différents types de matériaux supraconducteurs et leurs diverses applications.

Types de matériaux supraconducteurs

Les supraconducteurs peuvent être classés en deux catégories en fonction de leur température critique et de leurs propriétés magnétiques : Les supraconducteurs de type I et de type II. En outre, ils peuvent être classés en fonction de leur composition et de leur chronologie de découverte : supraconducteurs conventionnels, supraconducteurs à haute température et supraconducteurs non conventionnels.

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1) Supraconducteurs de type I

Les supraconducteursde type I sont principalement des métaux purs et des métalloïdes qui présentent une supraconductivité à très basse température (généralement inférieure à 30 K). Ils se caractérisent par une transition brutale vers l'état supraconducteur et l'expulsion complète des champs magnétiques (effet Meissner) en dessous de leur champ magnétique critique (Hc). En voici quelques exemples :

- Mercure (Hg) : Le premier supraconducteur découvert avec un Tc de 4,2 K.

- Plomb (Pb) : Tc de 7,2 K.

- Aluminium (Al) : Tc de 1,2 K.

Les supraconducteurs de type I sont limités dans leurs applications pratiques en raison de leurs faibles températures critiques et champs magnétiques.

2) Supraconducteurs de type II

Lessupraconducteurs de type II sont des matériaux plus complexes, y compris des alliages et des composés, qui peuvent résister à des champs magnétiques plus importants et ont des températures critiques plus élevées. Ils laissent pénétrer les champs magnétiques sous forme de tourbillons quantifiés, ce qui leur permet de rester supraconducteurs à des champs plus élevés. En voici quelques exemples :

- Niobium-Titanium (NbTi) : Largement utilisé dans les aimants supraconducteurs des appareils d'IRM et des accélérateurs de particules.

- Niobium-étain (Nb3Sn) : Utilisé dans les aimants à haut champ en raison de son champ critique plus élevé.

3. supraconducteurs à haute température (HTS)

Les supraconducteurs à haute température sont une classe de matériaux qui présentent une supraconductivité à des températures nettement supérieures à celles des supraconducteurs classiques (plus de 30 K). Il s'agit souvent de matériaux à base d'oxyde de cuivre (cuprate) ou de fer. En voici quelques exemples :

- Oxyde d'yttrium, de baryum et de cuivre (YBCO) : Tc de 92 K.

- Oxyde de cuivre bismuth-strontium-calcium (BSCCO) : Tc de 110 K.

- Supraconducteurs à base de fer : Découverts en 2008, avec des Tc allant jusqu'à 55 K.

Les matériaux HTS sont particulièrement prometteurs pour les applications pratiques en raison de leur capacité à fonctionner à des températures d'azote liquide (77 K), qui est plus rentable que l'hélium liquide.

4) Supraconducteurs non conventionnels

Les supraconducteurs non conventionnels ne suivent pas la théorie BCS traditionnelle de la supraconductivité. Ils comprennent

- Les supraconducteurs à fermions lourds : Matériaux tels que le CeCu2Si2, où les électrons se comportent comme s'ils avaient une masse extrêmement élevée.

- Les supraconducteurs organiques : Matériaux à base de carbone qui présentent une supraconductivité à basse température.

- Diborure de magnésium (MgB2) : Un composé simple avec une Tc de 39 K, qui comble le fossé entre les supraconducteurs conventionnels et les supraconducteurs à haute température.

Applications des matériaux supraconducteurs

Les propriétés uniques des supraconducteurs ont conduit à leur utilisation dans une large gamme d'applications dans divers secteurs. Voici quelques-unes des applications les plus importantes :

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1. imagerie médicale

Les aimants supraconducteurs constituent l'épine dorsale des appareils d'imagerie par résonance magnétique (IRM). Les supraconducteurs en niobium-titane (NbTi) sont couramment utilisés pour générer les champs magnétiques puissants et stables nécessaires à l'imagerie à haute résolution. La résistance nulle des supraconducteurs garantit un fonctionnement efficace sans perte d'énergie significative.

2) Accélérateurs de particules

Les matériaux supraconducteurs sont essentiels dans les accélérateurs de particules tels que le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN. Les aimants en niobium-étain (Nb3Sn) et en niobium-titane (NbTi) sont utilisés pour créer les champs magnétiques intenses nécessaires pour diriger et concentrer les faisceaux de particules à des vitesses proches de celles de la lumière.

3) Transmission d'énergie

Les câbles supraconducteurs peuvent transmettre l'électricité sans résistance, ce qui réduit considérablement les pertes d'énergie par rapport aux câbles en cuivre classiques. Les supraconducteurs à haute température, comme l'YBCO, sont actuellement étudiés pour être utilisés dans les réseaux électriques supraconducteurs, ce qui pourrait révolutionner la distribution de l'énergie.

4) Trains à sustentation magnétique (Maglev)

Les aimants supraconducteurs permettent aux trains maglev de flotter au-dessus des rails, ce qui élimine les frottements et permet des déplacements à très grande vitesse. Le train SC Maglev du Japon, qui utilise des supraconducteurs YBCO, a atteint des vitesses supérieures à 600 km/h.

5. Informatique quantique

Les matériaux supraconducteurs sont au cœur des bits quantiques (qubits) des ordinateurs quantiques. La jonction Josephson, un dispositif composé de deux supraconducteurs séparés par un isolant, est un élément clé des circuits quantiques supraconducteurs. Des entreprises comme IBM et Google exploitent cette technologie pour construire de puissants processeurs quantiques.

6. Stockage d'énergie

Les systèmes de stockage d'énergie magnétique supraconducteur (SMES) stockent l'énergie dans le champ magnétique généré par une bobine supraconductrice. Ces systèmes peuvent libérer de grandes quantités d'énergie presque instantanément, ce qui les rend idéaux pour stabiliser les réseaux électriques et fournir de l'énergie de secours.

7. Recherche scientifique

Les matériaux supraconducteurs sont utilisés dans des outils de recherche avancés tels que les dispositifs d'interférence quantique supraconducteurs (SQUID), qui sont des magnétomètres très sensibles capables de détecter des champs magnétiques extrêmement faibles. Les SQUID sont utilisés dans des domaines allant de la géologie aux neurosciences.

8. Énergie de fusion

Les aimants supraconducteurs sont essentiels pour confiner le plasma dans les réacteurs de fusion nucléaire, tels que le projet ITER. Les supraconducteurs à haute température comme l'YBCO sont utilisés pour développer des réacteurs de fusion plus efficaces et plus compacts.

9. Exploration spatiale

Les matériaux supraconducteurs sont utilisés dans les systèmes cryogéniques pour les télescopes et les détecteurs spatiaux. Par exemple, les détecteurs supraconducteurs sont utilisés en astrophysique pour observer les signaux faibles provenant d'étoiles et de galaxies lointaines.

10. Applications industrielles

Les matériaux supraconducteurs sont utilisés dans les moteurs électriques et les générateurs pour les applications industrielles. Ces dispositifs sont plus efficaces et plus compacts que leurs homologues conventionnels, ce qui les rend idéaux pour les éoliennes et les véhicules électriques.

Conclusion

Lesmatériaux supraconducteurs ont transformé la technologie moderne. Des supraconducteurs de type I aux variantes à haute température et non conventionnelles, chaque classe de matériaux offre des propriétés et des applications uniques. Alors que la recherche continue de progresser, les supraconducteurs promettent de révolutionner encore plus d'industries. Pour en savoir plus sur les matériaux avancés, consultez le site Stanford Advanced Materials (SAM).

Référence :

[1] Abd-Shukor, R.. Supraconducteurs à haute température : Matériaux, mécanismes et applications.

[2] Chao Yao, Yanwei Ma, Superconducting materials : Challenges and opportunities for large-scale applications, iScience, Volume 24, Issue 6, 2021, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589004221005095