la supraconductivité 1 la supraconductivité une histoire damour-haine entre électrons david...

1La supraconductivité

La SupraconductivitéUne histoire d’amour-haine entre électrons

David SénéchalDépartement de physique

Faculté des sciencesUniversité de Sherbrooke


Le phénomène physique


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)


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


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


Éléments supraconducteurs

À pression ambiante

Sous pression

Sous certaines formes


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)


Le champ magnétique

Faraday popularise le concept de ligne de force, ou de champ magnétique

Michael Faraday(1891/1867)


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


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


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


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


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 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


16


Lévitation magnétique

17


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


Évolution de la température critique

19


L’explication

20


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


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 résistance électrique

Vision naïve (fausse) : les électrons libres entrent en collision avec les atomes (ions) fixes qui forment le réseau cristallin.

23


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 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


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


Fermions vs bosons

QuickTime™ et undécompresseur Animation


QuickTime™ et undécompresseur Animation


fermions bosons

Simulation du comportement d’un ensemble de particules identiques lors d’un refroidissement

27


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 suprafluidité

QuickTime™ et undécompresseur


En deça de 2.1 K, l’hélium liquide devient suprafluide !

Il peut fuir au travers d’un contenant en céramique!

29


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 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 solidarité des paires de Cooper

32


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


Supraconducteurs à haute Tc

Plans de CuO2 séparés par des atomes (terres rares)

La physique est essentiellement 2D

antiferromagnétisme

34


Cuprates : diagramme de phase

35


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


Applications de la supraconductivité

37


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


près de Genèveà cheval sur la frontière

franco-suisse

CERNCentre européen pour la physique

des particules

Accélérateurs de particules

39


LHC Large Hadron Collider

40


LHC : cavités accélératrices

41


MagLev (Japon)Train à lévitation magnétique

Vitesse maximale : 581 km/h

Suspension Guidage

Propulsion

42


Électrotechnique de puissance

Régulateurs de tension

Moteurs et génératrices plus compacts et efficaces

www.amsuper.com

43


Lignes de transmission

44


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


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


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


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 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 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


QUESTIONS ?

Merci de votre patience et de votre attention

la supraconductivité 1 la supraconductivité une histoire damour-haine entre électrons david...

Documents