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La supraconductivité et ses applications

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Publié le 7 septembre 2016

​Découvert en 1911, le phénomène de supraconductivité continue de fasciner et trouve aujourd’hui de nombreuses applications dans les domaines de la santé, de l’énergie, des transports, des instruments de recherche pour l’analyse chimique et structurale (analyse RMN) ou encore des grands accélérateurs pour étudier les particules élémentaires.

Qu’est-ce que la supraconductivité ?


À l’état supraconducteur, un matériau refroidi à très basse température acquiert la capacité de conduire parfaitement un courant électrique, sans résistance, et donc sans perte d’énergie. De même, à l’état supraconducteur, les matériaux possèdent la propriété d’expulser totalement le champ magnétique qui les entoure, ce qui peut se manifester par des effets spectaculaires de lévitation magnétique.

VidéoQu'est ce que la supraconductivité ?



Le phénomène de supraconductivité a été découvert en 1911 par le physicien Heike Kammerlingh Onnes. Traduit par des propriétés électriques, magnétiques et quantiques spécifiques, il apparaît lorsque l’on refroidit certains métaux ou alliages à très basses températures, proches du zéro absolu, 0 kelvin soit - 273,15 °C. Appelée température critique (Tc), la température à laquelle le matériau devient supraconducteur dépend de la composition chimique de celui-ci. Pour la plupart des matériaux, dits supraconducteurs conventionnels, elle se situe entre 1 et 33 kelvins (soit entre - 272 et – 240°C), ce qui nécessite un refroidissement à l’hélium liquide, voire au-delà.


VidéoHistoire de la supraconductivité



Depuis 1986, des oxydes de cuivre ou cuprates, appelés supraconducteurs à haute température critique (haut-Tc) ou supraconducteurs non conventionnels, peuvent être refroidis à l’azote liquide (à 77 K soit - 196°C). Dans les conditions usuelles, ce sont les cuprates de mercure qui détiennent actuellement le record de température critique : 135 K (- 138°C). En 2008, des scientifiques ont réussi à synthétiser une nouvelle famille de supraconducteurs à haute température critique : les pnictures (Tc = 55K, soit - 218°C). Possédant des propriétés différentes des cuprates, ces matériaux suscitent également beaucoup d’intérêt depuis leur découverte. Enfin, sous très haute pression (1,5 mégabar, soit la moitié de la pression au centre de la Terre), le sulfure d'hydrogène (H2S) devient supraconducteur en dessous de la nouvelle température de -70° C.


Quelle est l’origine de la supraconductivité ?

La supraconductivité est un phénomène quantique collectif. C’est une des manifestations possibles, et perceptible à notre échelle, du comportement quantique de la matière.
Dans les matériaux supraconducteurs classiques, les électrons se regroupent par paires (dites paires de Cooper), en interagissant avec les atomes présents autour d’eux. Ils forment alors une vague collective. Cette vague électronique se propage comme une onde, sans subir de collision avec les défauts présents dans la matière, ce qui permet de conduire du courant électrique sans perte d’énergie. Ce phénomène ne peut se produire qu’à basse température lorsque les atomes du matériau ne vibrent pas trop (sinon les paires d'électrons se scindent et la résistance électrique du matériau réapparait).


Exemples d’applications
de la supraconductivité


La compréhension et la maîtrise des principes de la supraconductivité est à l’origine de nombreuses applications. L'absence de résistance du matériau supraconducteur d'une bobine électrique permet en particulier de générer des champs magnétiques très intenses (plusieurs teslas). L’IRM, qui a révolutionné le diagnostic médical et la compréhension du cerveau, nécessite des champs magnétiques intenses qui peuvent être obtenus grâce à la maîtrise de ce phénomène ; les transports, les télécommunications, l’électronique, l’informatique,… peuvent également exploiter ses propriétés. En outre, sans supraconducteurs, les très grands instruments de recherche tels que l’accélérateur de particules LHC aujourd’hui, ou Iter demain, ne pourraient voir le jour.


VidéoLes super-aimants


Imagerie médicale

S’il est un domaine dans lequel la supraconductivité a joué un rôle essentiel, c’est celui de l’imagerie médicale. La technologie de l’IRM, outil de diagnostic et de recherche désormais incontournable, est en effet une retombée directe des recherches menées sur le sujet. Spécifiquement, la base d’une IRM est de créer un champ magnétique très fort et homogène sur un volume suffisant afin qu'une proportion significative des protons de l’eau du corps du sujet (quelques protons par million) ait un "axe de rotation sur eux-mêmes" aligné. Cette première difficulté technologique, est résolue avec la supraconductivité, qui permet de disposer de champs magnétiques intenses, stables et uniformes.

Outre l’IRM haut champ, la supraconductivité intervient dans la fabrication des capteurs magnétiques qui sont à la base d’autres techniques d’imagerie médicale : l’IRM bas champ (où, au lieu de renforcer la polarisation par un champ magnétique très intense, on utilise un capteur très sensible), la magnétoencéphalographie (MEG) et la magnétocardiographie (MCG).

Les très grands instruments de recherche

La supraconductivité joue aujourd’hui un rôle prépondérant dans la conception et la réalisation des très grands instruments dédiés à l’exploration de la matière. Employée dans les accélérateurs de particules pour développer les électroaimants supraconducteurs qui dévient et focalisent les faisceaux, elle intervient également dans le domaine des cavités radiofréquence (RF) qui génèrent le champ électrique qui accélère les particules chargées au centre du faisceau.
L’emploi de matériaux supraconducteurs a un triple avantage :  

  • l’absence de résistivité des supraconducteurs, qui évite toute dissipation d’énergie, permet de gagner en puissance sans augmenter la consommation de l’installation ;
  • grâce à l’annulation de l’effet joule (échauffement dû à la résistivité du matériau), il devient possible de faire passer de grandes densités de courant dans des bobinages très compacts. La densité alliée à la compacité permettent d’obtenir des champs magnétiques beaucoup plus élevés ;
  • la supraconductivité permet de générer des champs magnétiques très puissants, pouvant atteindre jusqu’à 20 teslas.


Fusion nucléaire

La supraconductivité trouve également des applications dans le domaine de la fusion nucléaire. L’une des pistes étudiées pour tenter de reproduire sur Terre l’énergie des étoiles repose sur la conception d’une machine appelée sous son acronyme russe « Tokamak ».
En forme d'anneau (ou « tore »), les particules qui y sont injectées subissent des champs magnétiques si intenses qu’elles restent fortement confinées dans la partie centrale de l’anneau, sans contact avec les parois et peuvent ainsi provoquer des réactions de fusion. Pour produire de tels champs, on utilise des bobines réalisées à partir de matériaux supraconducteurs.


Où en est la recherche sur la supraconductivité ?

Si les mécanismes à l’origine de la supraconductivité dans la majorité des matériaux, dits supraconducteurs conventionnels, sont élucidés depuis longtemps et bien compris, ce n’est pas le cas des supraconducteurs à haute température critique (cuprates et pnictures). Il s’agit d’un des principaux sujets de recherche actifs dans le domaine de la supraconductivité qui oblige les physiciens à élaborer de nouveaux matériaux et à inventer différentes façons de mesurer leurs propriétés ainsi que de nouveaux concepts pour les décrire.

En synthétisant de nouveaux échantillons supraconducteurs et en analysant leurs propriétés, les chercheurs espèrent percer les derniers mystères de la supraconductivité afin d’arriver à l’obtention du même phénomène à plus haute température et peut-être un jour découvrir une supraconductivité encore plus proche de la température ambiante, ce qui ouvrirait de nouveaux champs d’applications.









Notions clés

  • Un matériau supraconducteur conduit parfaitement un courant électrique, sans résistance, et donc sans perte d’énergie.

  • La supraconductivité est une des manifestations possibles, et perceptible à notre échelle, du comportement quantique de la matière.






VidéoLe phénomène de lévitation expliqué






















Synthèse de matériaux supraconducteursCert​ains matériaux comme les cuprates supraconducteurs à haute Température nécessitent, après élaboration, un recuit supplémentaire sous atmosphère contrôlée afin d’optimiser leurs propriétés physiques. © C. Dupont/CEA​


 





















































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Comparaison

À titre d’exemple, si le Large Hadron Collider (LHC) du Cern utilisait des aimants conventionnels en cuivre, l’anneau de l’accélérateur serait 4 fois plus grand, avec une circonférence de 120 km contre 27 km en réalité. Pour assurer la même énergie de collision, il consommerait 40 fois plus d’électricité, soit 1 Gigawatt.

Cryostat de la bobine supraconductrice recouvert de câbles et circuits de refroidissement des détecteurs. Cryostat de la bobine supraconductrice recouvert de câbles et circuits de refroidissement des détecteurs. © P. Stroppa/CEA​




tokamak WEST/Tore-Supra banc de test pour Iter Bobine supraconductrice de rechange pour Tore Supra, tokamak banc de test pour Iter. © P. Stroppa/CEA