la supraconductivité 1 la supraconductivité une histoire damour-haine entre électrons david...
Post on 03-Apr-2015
110 Views
Preview:
TRANSCRIPT
1La supraconductivité
La SupraconductivitéUne histoire d’amour-haine entre électrons
David SénéchalDépartement de physique
Faculté des sciencesUniversité de Sherbrooke
2La supraconductivité
Le phénomène physique
3La supraconductivité
La résistance électrique
Tout matériau oppose une certaine résistance au courant électrique (Loi d’Ohm : V = RI)
Chaleur liée au passage du courant : l’effet Joule
Parfois désirable :
Chauffage électrique, Grille-pain, etc.
Souvent nuisible :
Pertes énergétiques dans le transport d’énergie
Georg Simon Ohm(1789/1854)
James Prescott Joule(1818/1899)
4La supraconductivité
Qui a découvert la supraconductivité ?
Heike Kamerlingh Onnes (1853/1926)
Le premier à liquéfier l’hélium (4 K)
Prix Nobel de physique (1913)
Étude de la résistance des métaux aux basses températures
Découvre la supraconductivité du mercure (Hg) en 1911, puis de l’étain et du plomb
température (K)
rési
stan
ce
5La supraconductivité
La course vers le froid
273.15 K = 0C
James Dewar (1898)Hydrogène20.3 K
Heike Kamerlingh Onnes
(1908)Hélium
4.2 K
Azote77 K
Oxygène90.2 K
Eau373.15
K
Karol Olszewski & Zigmunt Wróblewski
(1883)
zéro absolu-273.15
C
6La supraconductivité
Éléments supraconducteurs
À pression ambiante
Sous pression
Sous certaines formes
7La supraconductivité
Parenthèse : 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
Arago construit le premier électro-aimant : coeur de fer entouré d’un bobinage
Dominique François Arago(1786/1853)
André-Marie Ampère(1775/1836)
8La supraconductivité
Le champ magnétique
Faraday popularise le concept de ligne de force, ou de champ magnétique
Michael Faraday(1891/1867)
9La supraconductivité
Comment la matière réagit 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 (cause: principe de Pauli).
Diamagnétisme
Le matériau génère un courant électrique qui tente d’annuler (partiellement) le champ magnétique appliqué (loi de Lenz).
Causé par le mouvement orbital des électrons dans les atomes ou molécules
10
La supraconductivité
Au moins, les grenouilles le sont...
Le diamagnétisme permet la LÉVITATION MAGNÉTIQUE!
Nous sommes diamagnétiques!
QuickTime™ et undécompresseur
sont requis pour visionner cette image.
11
La supraconductivité
L’effet Meissner
Supraconductivité ~ diamagnétisme parfait
Un supraconducteur exclut tout champ magnétique
Si un 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 du matériau.
Un courant (supercourant) est généré sans pertes et annule le champ appliqué.
Walther Meissner
Robert Ochsenfeld T > Tc T < Tc
12
La supraconductivité
Effet Meissner : type I vs type II
Si le champ H est trop fort, l’exclure demande plus d’énergie que ce que la supraconduction apporte au matériau:
Type I : champ totalement exclu jusqu’à un champ critique Hc
Type II : Au-dela de Hc1, le champ pénètre partiellement, au travers de tubes appelés «vortex», jusqu’à une valeur critique Hc2
type I type II
13
La supraconductivité
Vortex
H. F. Hess et al.Bell LabsPhys. Rev. Lett. 62, 214 (1989)
réseau de vortexou
réseau d’Abrikosov
Les vortex sont typiquement piégés par des défauts de l’ordre cristallin
Cet ancrage est important pour la stabilité de la lévitation magnétique
Le flux magnétique de chaque vortex est quantifié en multiples de h/2e
14
La supraconductivité
Quantification du flux magnétique
La fonction d’onde du supraconducteur n’est
pas bien définie
La fonction d’onde du supraconducteur est
bien définie
Flux magnétique Φ : champ magnétique B × surface (une intégrale, en fait)ou: «nombre de lignes de champ» qui passent dans l’anneau
quantifié en multiples de Φ0 = h/2e = 2.07 × 10-15 T.m2 (flux du champ terrestre au travers d’un anneau de 3 microns de rayon)
Effet quantique: relié à la périodicité de la fonction d’onde du supraconducteur
15
La supraconductivité
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
QuickTime™ et undécompresseur codec YUV420
sont requis pour visionner cette image.
16
La supraconductivité
Lévitation magnétique
17
La supraconductivité
Types de matériaux supraconducteurs
Supraconducteurs dits “ordinaires”
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”
Céramiques à base d’oxydes de cuivre
Les Tc les plus élevées (record = 125 K). Refroidis à l’azote liquide (77 K).
Supraconducteurs à base de fer
Découverts en 2006. Tc maximum ~ 56 K
petit train
18
La supraconductivité
Évolution de la température critique
19
La supraconductivité
L’explication
20
La supraconductivité
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
21
La supraconductivité
ABC de la physique des solides
La plupart des corps solides sont des cristaux
image STM d’un alliage Ni-Pt
joints de grains dans l’acier
...mais sous forme de polycristaux : assemblages de cristaux très petits
22
La supraconductivité
La résistance électrique
Vision naïve (fausse) : les électrons libres entrent en collision avec les atomes (ions) fixes qui forment le réseau cristallin.
23
La supraconductivité
La résistance électrique (suite)
En réalité, les électrons se propagent comme des ondes et ne sont pas déviés par les “obstacles” régulièrement espacés (interférence constructive).
24
La supraconductivité
La résistance électrique (suite)
Un défaut de l’arrangement cristallin va entraîner une diffusion de l’onde, donc une résistance.
Cause principale de la résistance électrique: les vibrations du réseau cristallin (phonons).
25
La supraconductivité
Fermions et Bosons
En physique quantique, les objets d’un même type sont indiscernables
On ne peut pas les suivre à la trace, les étiqueter
Deux types d’objets :
Fermions :
Ne peuvent pas se trouver dans le même état
Ex: électrons, protons, etc.
Principe de Pauli
Bosons :
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.
Fermi Dirac
EinsteinBose
26
La supraconductivité
Fermions vs bosons
QuickTime™ et undécompresseur Animation
sont requis pour visionner cette image.
QuickTime™ et undécompresseur Animation
sont requis pour visionner cette image.
fermions bosons
Simulation du comportement d’un ensemble de particules identiques lors d’un refroidissement
27
La supraconductivité
La suprafluidité
Disparition de toute viscosité dans un fluide en-deça d’une température critique (ex: hélium liquide < 2.1 K)
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 moment cinétique d’un tourbillon de fluide est quantifié
Ce comportement est un aspect de la condensation des bosons (atomes d’hélium)
Un supraconducteur n’est autre chose qu’un suprafluide chargé électriquement!
28
La supraconductivité
La suprafluidité
QuickTime™ et undécompresseur
sont requis pour visionner cette image.
En deça de 2.1 K, l’hélium liquide devient suprafluide !
Il peut fuir au travers d’un contenant en céramique!
29
La supraconductivité
Paires de Cooper
La supraconductivité est la condensation de paires d’électrons
Les paires de Cooper portent une charge 2e
Les paires ne peuvent se former que si une force attire les électrons
Cette force est causée, dans les supraconducteurs habituels, par les vibrations du cristal (phonons)
Cette force est retardée (lente) en comparaison de la répulsion électrique
30
La supraconductivité
La théorie BCS
John Bardeen Leon Cooper Robert Schrieffer
Prix Nobel1972
Les paires de Cooper se condensent en une seule onde:Elles ont toutes la même phaseCela confère une rigidité, une robustesse à l’ensembleet empêche la diffusion → résistance nulle
31
La supraconductivité
La solidarité des paires de Cooper
32
La supraconductivité
Analogie avec la lumière
Les photons ont la même phase dans un faisceau laser
Ils ont des phases aléatoires dans une lumière naturelle
Les photons sont des bosons
33
La supraconductivité
Supraconducteurs à haute Tc
Plans de CuO2 séparés par des atomes (terres rares)
La physique est essentiellement 2D
antiferromagnétisme
34
La supraconductivité
Cuprates : diagramme de phase
35
La supraconductivité
paires de type ‘d’
Le mécanisme d’appariement des électrons n’est pas lié aux vibrations du cristal
Il est probablement d’origine magnétique
Les paires de Cooper ont la symétrie d’une orbitale d, contrairement aux supraconducteurs “ordinaires” qui ont la symétrie ‘s’
36
La supraconductivité
Applications de la supraconductivité
37
La supraconductivité
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.
Imagerie par résonance magnétique
38
La supraconductivité
près de Genèveà cheval sur la frontière
franco-suisse
CERNCentre européen pour la physique
des particules
Accélérateurs de particules
39
La supraconductivité
LHC Large Hadron Collider
40
La supraconductivité
LHC : cavités accélératrices
41
La supraconductivité
MagLev (Japon)Train à lévitation magnétique
Vitesse maximale : 581 km/h
Suspension Guidage
Propulsion
42
La supraconductivité
Électrotechnique de puissance
Régulateurs de tension
Moteurs et génératrices plus compacts et efficaces
www.amsuper.com
43
La supraconductivité
Lignes de transmission
44
La supraconductivité
Électronique
www.suptech.com
Filtres à haute perfomance pour les stations de base de la
téléphonie cellulaire
Détecteurs de lumière ultra-sensibles(1 photon à la fois)
45
La supraconductivité
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.
46
La supraconductivité
bombe électromagnétique
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: utilisée en 2003 en Iraq
47
La supraconductivité
Science vs Technologie
Science Technologie
La thermodynamique (Carnot 1824, Clausius ~1840) ☜ La machine à vapeur
(Watt, 1765)
L’induction électromagnétique (Faraday, 1831) ☞ La dynamo et le moteur électrique
(~1870/1880)
L’électron (Perrin-Thomson 1897) ☞ La télévision (~1923)
La mécanique quantique des solides (~1930) ☞ Le transistor (1947)
La révolution informatique (1980+)
Le laser (1960) ☞ Le compact disc (~1980)
La supraconductivité (1911) ☞ en cours...
48
La supraconductivité
La supraconductivité à Sherbrooke
Laboratoire de Louis Taillefer
Infrastructure commune en cryogénie: récupération de l’hélium
L’endroit le plus froid au Québec: 7 mK
Louis Tailleferpropriétés de transport de chaleur et de charge des
supraconducteurs
Patrick Fourniersynthèse de couches minces à base de supraconducteurs
49
La supraconductivité
La supraconductivité à Sherbrooke (suite)
André-Marie Tremblay
Claude Bourbonnais
David Sénéchal
Rôle des théoriciens: comprendre le mécanisme de formation des paires d’électrons et les
conditions d’existence de la supraconductivité
Mammouth: le superordinateur le plus puissant du Québec
50
La supraconductivité
QUESTIONS ?
Merci de votre patience et de votre attention
top related