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Supraconducteur : dossier complet sur ce matériau

Le supraconducteur a révolutionné les secteurs de l’énergie et des transports en favorisant l’émergence de technologies de pointe. Continuez à lire pour en savoir plus sur ce dernier.

Au 20e siècle, les physiciens ont dévéloppé de nouvelles méthodes pour refroidir les matériaux à une température nulle. Ainsi, ils ont commencé à enquêter sur certains éléments pour savoir comment l’électricité va être modifiée dans diverses conditions. Ces chercheurs ont alors découvert le même comportement dans plusieurs composés, comme les céramiques et les nanotubes de carbone. Cet article présente une vue d’ensemble du supraconducteur.

Qu’est-ce qu’un supraconducteur ?

Le terme supraconducteur désigne un matériau capable de conduire l’électricité sans résistance. Dans la plupart des cas, les éléments métalliques présentent une certaine résistance à température ambiante. En sachant que cette résistance se réduit à une température appelée température critique.

Le passage des électrons d’un atome à l’autre se fait fréquemment à l’aide de certains matériaux après avoir atteint la température critique. Ces derniers s’appellent donc des matériaux supraconducteurs

Ils servent notamment dans de nombreux domaines tels que la visualisation par résonance magnétique et les sciences médicales. Cependant, la plupart des matériaux disponibles sur le marché ne constituent pas des supraconducteurs. 

En fait, ces derniers nécessitent un état d’énergie très faible pour se transformer en produits supraconducteurs. Actuellement, la recherche se concentre sur le développement de molécules qui peuvent se transformer en supraconducteurs à haute température.

Matériaux de supraconductivité

Il existe un grand nombre de matériaux, dont certains constituent des supraconducteurs. Ces matériaux supraconducteurs peuvent transporter des électrons sans résistance, et donc ne libérer aucune chaleur, aucun son ou autre forme d’énergie. 

La supraconductivité se produit à la température critique d’un matériau spécifique (T c). Lorsque la température diminue, la résistance d’un matériau supraconducteur réduit progressivement jusqu’à ce qu’il atteigne une température critique. À ce stade, la résistance chute, souvent à zéro, comme le montre le graphique à droite.

À l’exception du mercure, les supraconducteurs originaux comprennent des métaux, des céramiques, des matériaux organiques. 

Cas d’utilisation des supraconducteurs

Les supraconducteurs peuvent être utilisés dans les générateurs, les accélérateurs de particules, les transports, les moteurs électriques, l’informatique, le médical, la transmission d’énergie, etc.

Ils servent principalement à créer des électroaimants puissants dans les scanners IRM. Ils permettent donc de séparer les matériaux magnétiques et non magnétiques. En outre, ils aident à transmettre de l’énergie sur de longues distances

Types de supraconducteurs

Il existe deux types de supraconducteurs : le type I et le type II.

Supraconducteur de type I

Ce type comprend des pièces conductrices de base utilisées dans différents domaines, allant du câblage électrique aux puces électroniques des ordinateurs. Il perd leur supraconductivité de façon très simple en se plaçant dans un champ magnétique critique (Hc). 

Après cela, il ressemble à un conducteur. À cause de cette perte de supraconductivité, on appelle également ces types de semi-conducteurs « supraconducteurs mous ». Ils obéissent complètement à l’effet Meissner. Parmi les exemples figurent le zinc et l’aluminium.

zinc - supraconducteur

Supraconducteur de type II

Le type II se caractérise par une perte lente de la supraconductivité, mais pas facilement, car il se trouve dans un champ magnétique externe. Lorsque ce semi-conducteur se trouve dans un champ magnétique, il perd peu à peu sa supraconductivité.

Cette classe de semi-conducteurs commence à réduire sa supraconductivité en présence d’un champ magnétique plus faible. Cependant, elle disparaît complètement en présence d’un champ magnétique critique plus élevé. La condition entre le champ magnétique critique inférieur et supérieur se qualifie d’état intermédiaire ou de vortex.

Appelé supraconducteur dur, ce catégoriel s’affaiblit lentement, mais pas simplement, en perdant sa supraconductivité. Ces semi-conducteurs obéissent à l’effet Meissner, mais pas complètement. Les meilleurs exemples sont NbN et Babi3. Il est possible de fabriquer des aimants supraconducteurs à haut champ à partir de ces supraconducteurs.

Propriétés du supraconducteur

Les matériaux supraconducteurs présentent des propriétés étonnantes qui sont essentielles pour la technologie actuelle. La recherche sur ces propriétés est toujours en cours pour reconnaître et utiliser ces propriétés dans divers domaines énumérés ci-dessous.

  • Conductivité infinie/résistance électrique nulle
  • Effet Meissner
  • Température de transition/température critique
  • Courants Josephson
  • Courant critique
  • Courants persistants
  • Conductivité infinie/résistance électrique nulle

Dans la condition supraconductrice, le matériau supraconducteur illustre la résistance électrique nulle. Lorsqu’il est refroidi sous sa température de transition, sa résistance sera soudainement réduite à zéro. 

Effet Meissner

Supraconducteur

Refroidi sous la température critique, le supraconducteur ne permet pas au champ magnétique de le traverser. L’on connaît cet événement sous le nom d' »effet Meissner ».

Température de transition ou température critique

Quand la température critique d’un matériau supraconducteur change l’état conducteur de normal à supraconducteur.

Courant Josephson

Si les deux supraconducteurs sont fragmentés à l’aide d’un film mince en matériau isolant, il forme une jonction de faible résistance pour fonder les électrons avec une paire de cuivre. Il peut creuser un tunnel d’une surface de la jonction à l’autre surface. Ainsi, l’on connaît le courant dû au flux de paires de tonneliers sous le nom de courant Josephson.

Courant critique

Lorsque le courant est fourni à travers un conducteur dans des conditions supraconductrices, un champ magnétique peut être développé. Si le flux de courant augmente au-delà d’un certain taux alors il est possible d’augmenter le champ magnétique.

Ce qui équivaut à la valeur critique du conducteur à laquelle celui-ci revient à son état habituel. L’on connaît le flux de la valeur actuelle comme le courant critique.

Courants persistants

Si un anneau supraconducteur se situe dans un champ magnétique au-dessus de sa température critique, refroidir actuellement l’anneau supraconducteur en dessous de sa température critique. Si nous éliminons ce champ, alors le flux de courant peut être induit à l’intérieur de l’anneau en raison de son auto-inductance. 

D’après la loi de Lenz, le courant induit s’oppose à la variation du flux qui traverse l’anneau. Lorsque l’anneau est placé dans une condition supraconductrice, le flux de courant sera induit pour continuer le flux de courant est nommé courant persistant. Ce courant génère un flux magnétique pour faire circuler le flux à travers l’anneau constant.

Quelle est la différence entre le semi-conducteur et le supraconducteur ?

La différence clé entre semi-conducteur et supraconducteur réside dans le fait que les semi-conducteurs ont une conductivité électrique. Cette dernière est comprise entre la conductivité d’un conducteur et celle d’un isolant. 

Tandis que les supraconducteurs ont une conductivité électrique supérieure à celle du conducteur. De plus, la bande interdite d’un semi-conducteur se trouve entre 0,25 et 2,5 eV alors que celle d’un supraconducteur est supérieure à 2,5 eV.

Les semi-conducteurs constituent des matériaux solides dotés de propriétés électriques particulières qui permettent de contrôler le flux d’électricité à travers le matériau. La conductivité peut être réglée de façon permanente ou modifiée selon les besoins d’un dispositif. Tous les dispositifs électriques modernes contiennent des semi-conducteurs. 

Les supraconducteurs se composent des matériaux métalliques capables de conduire « purement » l’électricité à des températures extrêmes. En d’autres termes, à des températures spécifiques, ils offrent une résistance nulle à un courant électrique. De nombreux matériaux présentent des propriétés supraconductrices à certaines températures. 

Parmi les supraconducteurs les plus courants figurent l’étain, l’aluminium, l’azote, le mercure, le plomb, le zinc, l’hélium, l’uranium et le titane. La température à laquelle les matériaux supraconducteurs présentent une résistance électrique nulle varie selon les matériaux. 

Supraconducteur : top 4 des startups dans ce domaine

Comme il existe un grand nombre de startups travaillant sur une grande variété de solutions, cette partie jette un coup d’œil à 4 start-up prometteuses dans le domaine des supraconducteurs.

Anyon Systems – des Ordinateurs quantiques clés en main

Le domaine de l’informatique quantique existe depuis les années 1980. Il utilise les propriétés des circuits supraconducteurs et des métaux pour traiter de grandes quantités de données. D’ailleurs, ces derniers permettent d’analyser des algorithmes sophistiqués dans un temps nettement plus court.

Contrairement à d’autres innovations technologiques dans le domaine de l’informatique, le coût d’entrée élevé a ralenti son développement. Les entreprises et les startups s’efforcent désormais de rendre cette technologie plus accessible à la recherche et aux développements commerciaux et universitaires.

La startup canadienne Anyon Systems fabrique des ordinateurs quantiques supraconducteurs clés en main. Leur solution permet aux chercheurs et développeurs d’accéder à une technologie qui était considérée comme hors de portée, soit en raison de coûts élevés ou de complexité.

Au fur et à mesure que l’accent passe du matériel au logiciel, le développement d’algorithmes plus efficaces se traduira par des avantages pour plusieurs autres innovations industrielles.

Epoch Wires – Fils supraconducteurs

La résistance des câbles, des aimants et des champs magnétiques affecte généralement le flux d’énergie dans tout système électrique et, par conséquent, réduit l’efficacité énergétique. L’utilisation de matériaux supraconducteurs, en particulier de fils, contribue à réduire la résistance des systèmes électriques et facilite un transfert d’énergie plus efficace.

La société britannique Epoch Wires fabrique des fils supraconducteurs brevetés. Leur processus de production permet la création de fils supraconducteurs en diborure de magnésium (MgB2) à faible coût et de longue durée. Ils ont le potentiel de fournir une supraconductivité à des températures de 40 K (-233 °C) pour l’imagerie par résonance magnétique et les applications de puissance.

Circuits de Delft – Circuits supraconducteurs

La productivité des systèmes informatiques dépend généralement des propriétés électriques de leurs composants. Cela devient généralement un facteur limitant important pour les ordinateurs quantiques.

L’utilisation de circuits supraconducteurs contribue au développement d’applications et d’industries de calcul intensif de nouvelle génération. C’est pourquoi les fabricants se tournent vers les innovations technologiques pour améliorer le processus de production de ces circuits.

La startup néerlandaise Delft Circuits est un fournisseur de solutions matérielles pour les applications de calcul intensif. Ils fabriquent des câbles pour des applications cryogéniques et à conductance thermique ultra-faible en utilisant des circuits supraconducteurs sur un substrat flexible.

Leurs solutions sont idéales pour utiliser diverses techniques d’apprentissage automatique, d’intelligence artificielle (IA) et de communication quantique.

Seeqc — Système sur puce (SOC)

System-On-Chip résout le défi d’intégrer plusieurs composants d’un ordinateur ou d’un système électronique dans une seule puce. Cela fonctionne bien pour les systèmes conventionnels. Toutefois, la même conception intégrée ne devrait pas être appliquée aux puces informatiques quantiques. En effet, le coût et la complexité des systèmes informatiques quantiques sont considérablement plus élevés.

La startup américaine Seeqc développe des systèmes informatiques sur puce brevetée Single Flux Quantum (SFQ) avec une logique classique de contrôle qubit. Ces systèmes sont par ailleurs conçus pour les systèmes supraconducteurs, tels que les environnements cryo-refroidis que l’on trouve dans les ordinateurs quantiques.

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