Comprendre la supraconductivité et ses applications

La supraconductivité est un phénomène dans lequel certains matériaux peuvent conduire l'électricité avec une résistance nulle lorsqu'ils sont refroidis à de très basses températures. Cela signifie que le matériau peut transporter du courant électrique sans aucune perte d'énergie, ce qui le rend extrêmement utile pour un large éventail d'applications, telles que les expériences de physique des hautes énergies, l'imagerie médicale et le calcul à grande vitesse.

Le concept de supraconductivité a été créé pour la première fois. découvert en 1911 par le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes, qui a observé que la résistance du mercure tombait soudainement à zéro lorsqu'il était refroidi à une température de 4,2 K (-269°C). Depuis lors, les chercheurs ont découvert que de nombreux autres matériaux peuvent également présenter une supraconductivité dans certaines conditions.

Le mécanisme exact derrière la supraconductivité n'est pas encore entièrement compris, mais on pense qu'il implique la formation de paires de Cooper, qui sont des paires d'électrons liés ensemble. par l'échange de phonons (ondes sonores quantifiées). Lorsqu'un matériau est refroidi à une température inférieure à sa température critique (Tc), le Cooper se condense en un seul état quantique, entraînant la disparition de la résistance électrique.

Il existe plusieurs types de supraconducteurs, notamment :

1. Supraconducteurs à basse température : Ce sont des matériaux qui présentent une supraconductivité à des températures inférieures à environ 30 K (-243°C). Les exemples incluent le nitrure de niobium (NbN), l'étain de niobium (Nb3Sn) et l'oxyde de cuivre et d'yttrium-baryum (YBCO).
2. Supraconducteurs à haute température : ce sont des matériaux qui présentent une supraconductivité à des températures supérieures à environ 30 K. Les exemples incluent les cuprates, tels que l'oxyde de cuivre et de baryum d'yttrium (YBCO) et l'oxyde de cuivre et de calcium et de mercure et de baryum (HgBa2Ca2Cu3O8+x).
3. Supraconducteurs organiques : ce sont des matériaux qui contiennent des atomes de carbone et présentent une supraconductivité. Les exemples incluent le sulfure de polyparaphénylène (PPS) et le polyfluorène vinylène (PFV).
4. Nanofils supraconducteurs : ce sont des fils extrêmement fins qui présentent une supraconductivité. Ils ont des applications potentielles dans l'informatique quantique et d'autres technologies émergentes.

Les supraconducteurs ont de nombreuses applications potentielles, notamment :

1. Expériences de physique des hautes énergies : des aimants supraconducteurs sont utilisés pour orienter et focaliser les faisceaux de particules dans des accélérateurs comme le Grand collisionneur de hadrons (LHC).
2. Imagerie médicale : des aimants supraconducteurs sont utilisés dans les appareils IRM pour créer des champs magnétiques puissants capables de détecter des changements subtils dans les tissus du corps.
3. Calcul à grande vitesse : des circuits supraconducteurs peuvent être utilisés pour créer des ordinateurs ultra-rapides capables d'effectuer des calculs complexes à des vitesses allant jusqu'à 100 GHz.
4. Stockage et transmission d’énergie : les supraconducteurs pourraient être utilisés pour créer des réseaux électriques et des systèmes de stockage d’énergie plus efficaces.
5. Informatique quantique : les qubits supraconducteurs (bits quantiques) sont à l'étude comme solution potentielle pour construire des ordinateurs quantiques évolutifs.