Supraconductivité
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La supraconductivité est un phénomène dans certains matériaux généralement à très basses températures , caractérisé par zéro exactement résistance électrique et l'exclusion de l'intérieur champ magnétique (la Effet Meissner).
L'électrique résistivité d'un métal conducteur diminue progressivement à mesure que la température est abaissée. Cependant, dans les conducteurs ordinaires tels que le cuivre et l'argent , les impuretés et autres défauts imposer une limite inférieure. Même proche du zéro absolu un échantillon réel de cuivre présente une résistance non nulle. La résistance d'un supraconducteur, d'autre part, diminue brusquement à zéro lorsque le matériau est refroidi en dessous de sa "température critique". Une courant électrique circulant dans une boucle de fil supraconducteur peut persister indéfiniment sans alimentation électrique. Comme ferromagnétisme et lignes spectrales atomiques , la supraconductivité est une mécanique quantique phénomène. Il ne peut pas être comprise simplement comme l'idéalisation de la " conductivité parfaite »dans la physique classique.
La supraconductivité se produit dans une grande variété de matériaux, y compris des éléments simples tels que l'étain et l'aluminium , divers métallique alliages et certains heavily- dopés semi-conducteurs . La supraconductivité ne se produit pas dans métaux nobles comme l'or et l'argent , ni dans des échantillons purs de métaux ferromagnétiques.
En 1986, la découverte d'une famille de cuprate- perovskite des matières céramiques connues sous le nom supraconducteurs à haute température, avec des températures critiques supérieures à 90 Kelvin, stimulé un regain d'intérêt et de recherche dans la supraconductivité pour plusieurs raisons. Comme un sujet de recherche pure, ces matériaux représentent un phénomène nouveau pas expliqué par la théorie actuelle. Et, parce que l'état supraconducteur persiste jusqu'à des températures plus faciles à gérer, dernières économiquement importante point d'ébullition de azote liquide (77 K), des applications plus commerciales sont possibles, surtout si des matériaux à même critique plus élevée des températures pourraient être découverts.
Pour l'histoire de la supraconductivité voir ici.
Propriétés élémentaires des supraconducteurs
La plupart des propriétés physiques des supraconducteurs varient d'un matériau à matériau, tel que le la capacité thermique et de la température critique, le champ critique, et la densité de courant critique à laquelle la supraconductivité est détruite.
D'autre part, il existe une classe de propriétés qui sont indépendantes de la matière sous-jacente. Par exemple, tous les supraconducteurs ont exactement zéro résistivité à des courants faibles appliquée quand il ya pas de champ magnétique présente. L'existence de ces propriétés "universelles" implique que la supraconductivité est une phase de thermodynamique , et possèdent donc certaines propriétés distinctives qui sont largement indépendantes des détails microscopiques.
Zéro électrique "dc" résistance
La méthode la plus simple pour mesurer la résistance électrique d'un échantillon d'un matériau est de le placer dans un circuit électrique en série avec une source de courant I et de mesurer l'résultantes la tension V aux bornes de l'échantillon. La résistance de l'échantillon est donnée par La loi d'Ohm que 
. Si la tension est nulle, cela signifie que la résistance est égale à zéro et que l'échantillon est à l'état supraconducteur.
Les supraconducteurs sont également en mesure de maintenir un courant sans tension appliquée que ce soit, un bien exploitée dans supraconducteur des électro-aimants, tels que ceux trouvés dans Appareils d'IRM. Des expériences ont démontré que les courants dans les bobinages supraconducteurs peuvent persister pendant des années sans aucune dégradation mesurable. Points de preuve expérimentale à une durée de vie de courant d'au moins 100000 années, et les estimations théoriques pour la durée de vie d'un courant persistant dépassent la durée de vie estimée de l' univers .
Dans un conducteur normal, un courant électrique peut être visualisée en tant que fluide de électrons se déplaçant à travers un lourd ionique treillis. Les électrons sont constamment en collision avec les ions dans le réseau, et lors de chaque collision partie de l' énergie transportée par le courant est absorbé par le réseau et converti en chaleur , qui est essentiellement la vibration de l'énergie cinétique des ions du réseau. En conséquence, l'énergie transportée par le courant est constamment dissipée. Ce est le phénomène de résistance électrique.
La situation est différente dans un supraconducteur. Dans un supraconducteur conventionnel, le fluide électronique ne peut pas être résolu en électrons individuels. Au lieu de cela, il se compose de paires d'électrons reliés appelés Paires de Cooper. Cette association est provoquée par une force d'attraction entre électrons de l'échange de phonons. En raison de la mécanique quantique , le spectre d'énergie de cette paire de fluide possède une Cooper écart de l'énergie, ce qui signifie qu'il se agit d'un montant minimum de AE de l'énergie qui doit être fourni afin d'exciter le fluide. Par conséquent, si AE est plus grande que la l'énergie thermique du treillis, donnés à kT, où k est Constante de Boltzmann et T est la température , le fluide ne sera pas diffusé par le réseau. La paire fluide Cooper est donc un superfluide, ce qui signifie qu'il peut se écouler sans dissipation d'énergie.
Dans une classe de supraconducteurs connus sous le nom les supraconducteurs de type II, y compris tous connus supraconducteurs à haute température, une quantité extrêmement faible de résistivité apparaît à des températures pas trop loin en dessous de la transition supraconductrice nominal lorsqu'un courant électrique est appliqué en combinaison avec un champ magnétique puissant, qui peut être provoquée par le courant électrique. Ceci est dû au mouvement de vortex dans le superfluide électronique, qui dissipe une partie de l'énergie transportée par le courant. Si le courant est suffisamment petite, les tourbillons sont stationnaires, et la résistivité disparaît. La résistance en raison de cet effet est minime par rapport à celle des matériaux non-supraconducteurs, mais doivent être prises en compte dans les expériences sensibles. Toutefois, lorsque la température baisse suffisamment loin en dessous de la transition supraconductrice nominal, ces tourbillons peuvent être congelées dans une phase désordonnée, mais immobile, dite "verre de vortex". En dessous de cette température de transition vitreuse de vortex, la résistance du matériau devient réellement zéro.
Transition de phase supraconductrice
Dans les matériaux supraconducteurs, les caractéristiques de supraconductivité apparaissent lorsque la température T est abaissée en dessous d'une température critique T c. La valeur de cette température critique varie de matériau à matériau. Supraconducteurs conventionnels ont généralement des températures critiques allant d'environ 20 K ( Kelvin ) à moins de 1 K. solide du mercure , par exemple, a une température critique de 4,2 K. En 2001 , la température critique plus élevée constatée pour un supraconducteur conventionnel est 39 K pour diborure de magnésium (MgB 2), bien que ce matériau affiche assez propriétés exotiques qu'il ya doute sur le classant comme un supraconducteur "classique". supraconducteurs cuprates peuvent avoir des températures critiques beaucoup plus élevés: YBa 2 Cu 3 O 7, l'un des premiers cuprates supraconducteurs à découvrir, a une température critique de 92 K et cuprates à base de mercure ont été trouvés avec des températures critiques de plus de 130 K. L'explication de ces hautes températures critiques restes inconnue. Electron appariement en raison de échanges de phonons explique la supraconductivité dans les supraconducteurs conventionnels, mais il ne explique pas la supraconductivité dans les supraconducteurs nouveaux qui ont une température critique très élevé.
L'apparition de la supraconductivité se accompagne de changements brusques de diverses propriétés physiques, ce qui est la marque d'un transition de phase. Par exemple, le dispositif électronique la capacité thermique est proportionnel à la température dans la (non supraconductrice) régime normal. A la transition supraconductrice, elle subit un saut discontinu et cesse d'être linéaire par la suite. A basse température, il varie plutôt comme e -α / T pour certains α constant. Ce comportement exponentielle est l'un des éléments de preuve de l'existence de la déficit énergétique.
Le ordre de la transition de phase supraconductrice fut longtemps un sujet de débat. Des expériences indiquent que la transition est le deuxième ordre, ce qui signifie qu'il n'y a pas de chaleur latente. Calculs dans les années 1970 ont suggéré qu'il peut effectivement être faiblement du premier ordre en raison de l'effet des fluctuations à long terme dans le champ électromagnétique. Seulement récemment, il a été montré théoriquement à l'aide d'un théorie du corps de trouble, dans lequel le lignes de vortex du supraconducteur jouent un rôle majeur, que la transition est de second ordre au sein du régime de type II et de premier ordre (ce est à dire, chaleur latente) dans le régime de type I, ainsi que les deux zones sont séparées par une point tricritique.
Effet Meissner
Quand un supraconducteur est placé dans une faible externe champ magnétique H, le champ pénètre le supraconducteur pour seulement un λ de courte distance, appelée Londres profondeur de pénétration, après quoi elle décroît rapidement à zéro. Ceci est appelé le L'effet Meissner, et est une caractéristique déterminante de la supraconductivité. Pour la plupart des supraconducteurs, la profondeur de pénétration de London est de l'ordre de 100 nm.
L'effet Meissner est parfois confondu avec le genre de diamagnétisme on pourrait se attendre dans un conducteur électrique parfait: selon La loi de Lenz, quand un champ magnétique variable est appliqué à un conducteur, il va induire un courant électrique dans le conducteur qui crée un champ magnétique opposé. Dans un conducteur parfait, un courant arbitrairement grand peut être induite, et le champ magnétique résultant annule exactement le champ appliqué.
L'effet Meissner est distincte de cela parce que un supraconducteur expulse tous les champs magnétiques, et pas seulement ceux qui sont en train de changer. Supposons que nous ayons un matériau dans son état normal, contenant un champ magnétique interne constante. Lorsque le matériau est refroidi en dessous de la température critique, nous observerions l'expulsion brutale du champ magnétique interne, que nous ne aurions pas attendre sur la base de la loi de Lenz.
L'effet Meissner a été expliqué par les frères Fritz et Heinz Londres, qui ont montré que l'électromagnétique énergie libre dans un supraconducteur est minimisé fourni
où H est le champ magnétique et λ est la profondeur de pénétration de London.
Cette équation, qui est connu comme le Équation de London, prédit que le champ magnétique dans un supraconducteur décroît de façon exponentielle à partir de ne importe quelle valeur il possède à la surface.
L'effet Meissner se décompose lorsque le champ magnétique appliqué est trop grande. Supraconducteurs peuvent être divisés en deux catégories selon la façon dont cette panne survient. Dans les supraconducteurs de type I, la supraconductivité est brusquement détruit lorsque l'intensité du champ appliqué dépasse une valeur critique H c. En fonction de la géométrie de l'échantillon, on peut obtenir un état intermédiaire comprenant des régions de matériau normale transportant un champ magnétique en mélange avec des régions de matériau supraconducteur contenant pas de champ. Dans les supraconducteurs de type II, portant le champ appliqué passé une valeur critique H c 1 conduit à un état mixte dans lequel une quantité croissante de le flux magnétique pénètre dans le matériau, mais il ne en reste pas la résistance à l'écoulement du courant électrique tant que le courant ne est pas trop grand. Lors d'une seconde force de champ critique H c 2, la supraconductivité est détruite. L'état mixte est en fait causée par des tourbillons dans le superfluide électronique, parfois appelé fluxons car le flux porté par ces tourbillons est quantifié. La plupart des pures élémentaires supraconducteurs, à l'exception de niobium , le technétium , le vanadium et nanotubes de carbone, sont de type I, alors que presque tous les supraconducteurs impures et composés sont de type II.
Moment de London
Inversement, un supraconducteur filage génère un champ magnétique, précisément aligné avec l'axe de rotation. L'effet, le Moment de London, a été mis à profit dans Gravity Probe B. Cette expérience a mesuré les champs magnétiques des supraconducteurs quatre gyroscopes pour déterminer leurs axes de spin. Ce était essentiel pour l'expérience, car il est l'un des rares moyens de déterminer avec précision l'axe de rotation d'une sphère, autrement sans particularités.
Les théories de la supraconductivité
Depuis la découverte de la supraconductivité, de grands efforts ont été consacrés à découvrir comment et pourquoi cela fonctionne. Durant les années 1950, théoriques matière condensée physiciens sont arrivés à une solide compréhension de la supraconductivité "classique", à travers une paire de théories remarquables et importants: l'phénoménologique La théorie de Ginzburg-Landau (1950) et le microscopique La théorie BCS (1957). Généralisations de ces théories forment la base de la compréhension du phénomène étroitement lié superfluidité, parce qu'ils tombent dans le Lambda transition de classe universalité, mais la mesure dans laquelle des généralisations similaires peuvent être appliqués à supraconducteurs non conventionnels est ainsi encore controversée. L'extension à quatre dimensions de la La théorie de Ginzburg-Landau, le Modèle Coleman-Weinberg, est important dans la théorie quantique des champs et de la cosmologie .
Histoire de la supraconductivité
La supraconductivité a été découverte en 1911 par Heike Kamerlingh Onnes, qui étudiait la résistance du solide mercure au des températures cryogéniques à l'aide du liquide récemment découvert l'hélium en tant que réfrigérant. A la température de 4,2 K, il a observé que la résistance brusquement disparu. Dans les décennies suivantes, la supraconductivité a été trouvé dans plusieurs autres matériaux. En 1913, le plomb a été trouvé à supraconducteur à 7 K, et en 1941 nitrure de niobium supraconducteur a été trouvé à 16 K.
La prochaine étape importante dans la compréhension de la supraconductivité se est produite en 1933, lorsque Meissner et Ochsenfeld découvert que supraconducteurs expulsés champs magnétiques appliqués, un phénomène qui est venu à être connu sous le nom Effet Meissner. En 1935, F. H. et Londres a montré que l'effet Meissner est une conséquence de la réduction au minimum de la électromagnétique l'énergie libre porté par courant supraconducteur.
En 1950, le phénoménologique La théorie de Ginzburg-Landau de la supraconductivité a été conçu par Landau et Ginzburg.This théorie, qui combinait la théorie de Landau de second ordre transitions de phase avec un Équation d'onde de Schrödinger-like, eu beaucoup de succès dans l'explication des propriétés macroscopiques des supraconducteurs. En particulier, Abrikosov a montré que la théorie de Ginzburg-Landau prédit la division des supraconducteurs dans les deux catégories désormais dénommé Type I et Type II. Abrikosov et Ginzburg ont reçu le 2003 Prix Nobel pour leurs travaux (Landau étant mort en 1968).
Egalement en 1950, et Maxwell Reynolds et al. Ont constaté que la température critique d'un supraconducteur dépend de la masse isotopique du constituant élément . Cette importante découverte a souligné l' électronique - interaction phonon comme mécanisme microscopique responsable de la supraconductivité.
La théorie microscopique complète de la supraconductivité a finalement été proposé en 1957 par Bardeen, Cooper, et Schrieffer. Indépendamment, le phénomène de supraconductivité a été expliqué par Nikolay Bogolyubov. Cette La théorie BCS a expliqué le courant supraconducteur comme un superfluide de Paires de Cooper, paires d'électrons qui interagissent à travers l'échange de phonons. Pour ce travail, les auteurs ont reçu le prix Nobel en 1972.
La théorie BCS a été mis sur un pied ferme en 1958, lorsque Bogolioubov a montré que la fonction d'onde de BCS, qui avait été initialement dérivé de un argument variationnel, pourrait être obtenu en utilisant une transformation canonique de l'électronique Hamiltonien. En 1959, Lev Gor'kov a montré que la théorie BCS réduit à la théorie de Ginzburg-Landau proche de la température critique.
En 1962, le premier fil supraconducteur commercial, un alliage de niobium-titane, a été développé par des chercheurs de Westinghouse. Dans la même année, Josephson faite la prédiction théorique important qu'un supracourant puisse circuler entre deux morceaux de supraconducteur séparées par une mince couche d'isolant. Ce phénomène, maintenant appelé le Effet Josephson, est exploitée par des dispositifs tels que les supraconducteurs SQUID. Il est utilisé dans les mesures disponibles les plus précises de la quantum de flux magnétique 
Et ainsi (couplé avec le Hall quantique résistivité) pour Constante de Planck h. Josephson a reçu le prix Nobel pour ce travail en 1973.
La supraconductivité à haute température
Jusqu'en 1986, les physiciens avaient cru que la théorie BCS interdit la supraconductivité à des températures supérieures à 30 K. Cette année, Bednorz et Müller découverte de la supraconductivité dans une lanthane à base de cuprate matériau pérovskite, qui avait une température de transition de 35 K (Prix Nobel de Physique, 1987). Il a été peu trouvé par MK Wu et al. que le remplacement du lanthane par de l'yttrium , ce est à dire faire YBCO, soulevé la température critique à 92 K, ce qui était important car l'azote liquide pourrait alors être utilisée comme réfrigérant (à la pression atmosphérique, le point d'ébullition de l'azote est de 77 K). Ceci est important dans le commerce, car l'azote liquide peut être produit à bon marché sur place avec pas de matières premières, et ne est pas sujette à certains des problèmes (bouchons d'air solides, etc.) de hélium dans la tuyauterie. Beaucoup d'autres supraconducteurs cuprates ont été découverts depuis, et la théorie de la supraconductivité dans ces matériaux est l'un des défis majeurs de circulation théorique de la matière condensée .
Depuis environ 1993, le supraconducteur haute température est un matériau céramique constitué par le thallium, le mercure, le cuivre, le baryum, le calcium, et de l'oxygène, avec T c = 138 K.
En Février 2008, une famille de supraconducteurs à haute température à base de fer a été découvert. Hideo Hosono de l'Institut de Technologie de Tokyo et ses collègues a constaté que l'arséniure de fluor lanthane d'oxygène de fer (Lao-1 x F x FeAs) un Pnicture devient supraconducteur à 26 Kelvin. Des recherches ultérieures d'autres groupes suggère que le remplacement du lanthane dans LaO 1-x F x FeAs avec d'autres éléments des terres rares comme le cérium, le samarium, le néodyme et le praséodyme conduit à supraconducteurs qui fonctionnent à 52 K. experts espèrent que d'avoir une autre famille pour étudier volonté simplifier la tâche d'expliquer comment ces matériaux fonctionnent.
Classification
Il ne est pas seulement un critère pour classer les supraconducteurs. Les plus courants sont:
- Par leurs propriétés physiques: ils peuvent être Type I (si leur transition de phase est de premier ordre) ou Type II (si leur transition de phase est de second ordre).
- Par la théorie de les expliquer: ils peuvent être conventionnelle (se ils sont expliqués par la théorie BCS ou de ses dérivés) ou non conventionnelle (sinon).
- Par leur température critique: ils peuvent être haute température (généralement considéré comme se ils atteignent l'état supraconducteur juste leur refroidissement avec l'azote liquide, qui est, si T c> 77 K), ou à basse température (en général si elles ont besoin d'autres techniques pour être refroidis sous leur température critique).
- En matière: ils peuvent être des éléments chimiques (comme le mercure ou le plomb ), alliages (comme niobium-titane ou germanium-niobium), céramique (comme YBCO ou la diborure de magnésium), ou supraconducteurs organiques (comme fullerens ou des nanotubes de carbone, qui peuvent techniquement être inclus entre les éléments chimiques dont ils sont faits de carbone ).
Applications
Les aimants supraconducteurs sont quelques-uns des plus puissants des électro-aimants connus. Ils sont utilisés dans les trains à sustentation magnétique , IRM et Machines de RMN et les aimants d'orientation de faisceau utilisés dans des accélérateurs de particules. Ils peuvent également être utilisés pour la séparation magnétique, où les particules faiblement magnétiques sont extraits à partir d'un fond de particules de moins ou non-magnétiques, comme dans les pigments industries.
Les supraconducteurs ont également été utilisés pour faire des circuits numériques (par exemple sur la base du Rapid Single Flux Quantum technologie) et RF et micro-ondes filtres pour téléphonie mobile des stations de base.
Supraconducteurs sont utilisés pour construire Jonctions Josephson qui sont les blocs de construction de SQUID (dispositifs supraconducteurs à interférence quantique), le plus sensible magnétomètres connus. Série de dispositifs de Josephson sont utilisés pour définir la SI volts . Selon le mode de fonctionnement particulier, un Jonction Josephson peut être utilisé comme photon ou comme détecteur mélangeur. Le grand changement de résistance à la transition de la normal- à l'état supraconducteur est utilisé pour construire des thermomètres dans cryogénique micro-calorimètre photon détecteurs.
Autres marchés début se posent lorsque l'efficacité relative, la taille et le poids des avantages de dispositifs basés sur HTS emportent sur les coûts supplémentaires impliqués.
Futures applications prometteuses comprennent haute performance transformateurs, les dispositifs de stockage d'énergie, transmission de puissance électrique, moteurs électriques (par exemple pour la propulsion du véhicule, comme dans vactrains ou trains à sustentation magnétique ), Dispositifs de lévitation magnétique, et Limiteurs de courant. Cependant la supraconductivité est sensible aux champs magnétiques se déplaçant afin que les applications qui utilisent le courant alternatif (par exemple transformateurs) sera plus difficile à développer que celles qui reposent sur courant continu.
