Et si… nous obtenions des supraconducteurs à haute température ? Liens d'espoir

Lignes de transmission sans perte, génie électrique à basse température, superélectroaimants, enfin comprimant doucement des millions de degrés de plasma dans des réacteurs thermonucléaires, un rail maglev silencieux et rapide. Nous avons tant d'espoirs pour les supraconducteurs...

Supraconductivité l'état matériel de résistance électrique nulle est appelé. Ceci est réalisé dans certains matériaux à très basse température. Il a découvert ce phénomène quantique Kamerling Onnes (1) dans le mercure, en 1911. La physique classique ne parvient pas à le décrire. En plus de la résistance nulle, une autre caractéristique importante des supraconducteurs est pousser le champ magnétique hors de son volumele soi-disant effet Meissner (dans les supraconducteurs de type I) ou la focalisation du champ magnétique en "vortex" (dans les supraconducteurs de type II).

La plupart des supraconducteurs ne fonctionnent qu'à des températures proches du zéro absolu. Elle serait de 0 Kelvin (-273,15 °C). Le mouvement des atomes à cette température elle est quasi inexistante. C'est la clé des supraconducteurs. Comme d'habitude électrons se déplaçant dans le conducteur entrent en collision avec d'autres atomes vibrants, provoquant perte d'énergie et résistance. Cependant, nous savons que la supraconductivité est possible à des températures plus élevées. Peu à peu, nous découvrons des matériaux qui montrent cet effet à un moins Celsius inférieur, et même récemment à plus. Cependant, cela est à nouveau généralement associé à l'application d'une pression extrêmement élevée. Le plus grand rêve est de créer cette technologie à température ambiante sans pression gigantesque.

La base physique de l'apparition de l'état de supraconductivité est formation de paires de pinces de chargement - la dite Tonnelier. De telles paires peuvent résulter de l'union de deux électrons d'énergies similaires. L'énergie de Fermi, c'est à dire. la plus petite énergie par laquelle l'énergie d'un système fermionique augmentera après l'ajout d'un élément supplémentaire, même lorsque l'énergie de l'interaction les liant est très faible. Cela modifie les propriétés électriques du matériau, puisque les porteurs simples sont des fermions et les paires sont des bosons.

Coopérer il s'agit donc d'un système de deux fermions (par exemple, des électrons) interagissant l'un avec l'autre par des vibrations du réseau cristallin, appelées phonons. Le phénomène a été décrit Leona coopère en 1956 et fait partie de la théorie BCS de la supraconductivité à basse température. Les fermions qui composent la paire de Cooper ont des demi-spins (qui sont dirigés dans des directions opposées), mais le spin résultant du système est plein, c'est-à-dire que la paire de Cooper est un boson.

Les supraconducteurs à certaines températures sont certains éléments, par exemple, le cadmium, l'étain, l'aluminium, l'iridium, le platine, d'autres ne passent à l'état de supraconductivité qu'à très haute pression (par exemple, l'oxygène, le phosphore, le soufre, le germanium, le lithium) ou dans le forme de couches minces (tungstène, béryllium, chrome), et certains peuvent ne pas être encore supraconducteurs, comme l'argent, le cuivre, l'or, les gaz nobles, l'hydrogène, bien que l'or, l'argent et le cuivre soient parmi les meilleurs conducteurs à température ambiante.

"Haute température" nécessite encore des températures très basses

Au cours de l'1964 William A. Petit ont suggéré la possibilité de l'existence d'une supraconductivité à haute température dans polymères organiques. Cette proposition est basée sur l'appariement d'électrons médié par les excitons par opposition à l'appariement médié par les phonons dans la théorie BCS. Le terme "supraconducteurs à haute température" a été utilisé pour décrire une nouvelle famille de céramiques pérovskites découvertes par Johannes G. Bednorz et C.A. Müller en 1986, pour lequel ils ont reçu le prix Nobel. Ces nouveaux supraconducteurs en céramique (2) étaient fabriqués à partir de cuivre et d'oxygène mélangés à d'autres éléments tels que le lanthane, le baryum et le bismuth.

2. Plaque en céramique planant au-dessus de puissants aimants

De notre point de vue, la supraconductivité "haute température" était encore très faible. Pour des pressions normales, la limite était de -140°C, et même de tels supraconducteurs étaient appelés "à haute température". La température de supraconductivité de -70°C pour le sulfure d'hydrogène a été atteinte à des pressions extrêmement élevées. Cependant, les supraconducteurs à haute température nécessitent de l'azote liquide relativement bon marché pour le refroidissement, plutôt que de l'hélium liquide, qui est essentiel.

En revanche, il s'agit majoritairement de céramique cassante, peu pratique pour une utilisation dans les systèmes électriques.

Les scientifiques croient toujours qu'il existe une meilleure option qui attend d'être découverte, un nouveau matériau merveilleux qui répondra à des critères tels que supraconductivité à température ambianteabordable et pratique à utiliser. Certaines recherches se sont concentrées sur le cuivre, un cristal complexe qui contient des couches d'atomes de cuivre et d'oxygène. Les recherches se poursuivent sur des rapports anormaux mais scientifiquement inexpliqués selon lesquels le graphite imbibé d'eau peut agir comme un supraconducteur à température ambiante.

Ces dernières années ont été un véritable torrent de « révolutions », de « percées » et de « nouveaux chapitres » dans le domaine de la supraconductivité à haute température. En octobre 2020, la supraconductivité à température ambiante (à 15°C) a été signalée dans hydrure de disulfure de carbone (3) cependant à très haute pression (267 GPa) générée par le laser vert. Le Saint Graal, qui serait un matériau relativement bon marché qui serait supraconducteur à température ambiante et à pression normale, reste à trouver.

3. Matériau à base de carbone supraconducteur à 15°C.

L'aube de l'âge magnétique

L'énumération des applications possibles des supraconducteurs à haute température peut commencer par l'électronique et les ordinateurs, les dispositifs logiques, les éléments de mémoire, les commutateurs et les connexions, les générateurs, les amplificateurs, les accélérateurs de particules. Suivant sur la liste : des appareils très sensibles pour mesurer des champs magnétiques, des tensions ou des courants, des aimants pour Dispositifs médicaux IRM, dispositifs de stockage d'énergie magnétique, trains à grande vitesse en lévitation, moteurs, générateurs, transformateurs et lignes électriques. Les principaux avantages de ces dispositifs supraconducteurs de rêve seront une faible dissipation de puissance, un fonctionnement à grande vitesse et sensibilité extrême.

pour les supraconducteurs. Il y a une raison pour laquelle les centrales électriques sont souvent construites à proximité de villes animées. Même 30 pour cent. créé par eux Énergie électrique il peut être perdu sur les lignes de transmission. Il s'agit d'un problème courant avec les appareils électriques. La majeure partie de l'énergie va à la chaleur. Par conséquent, une partie importante de la surface de l'ordinateur est consacrée au refroidissement des pièces qui aident à dissiper la chaleur générée par les circuits.

Les supraconducteurs résolvent le problème des pertes d'énergie pour la chaleur. Dans le cadre d'expériences, des scientifiques parviennent par exemple à gagner leur vie courant électrique à l'intérieur de l'anneau supraconducteur sur deux ans. Et ceci sans énergie supplémentaire.

La seule raison pour laquelle le courant s'est arrêté était parce qu'il n'y avait pas d'accès à l'hélium liquide, pas parce que le courant ne pouvait pas continuer à circuler. Nos expériences nous amènent à croire que les courants dans les matériaux supraconducteurs peuvent circuler pendant des centaines de milliers d'années, voire plus. Le courant électrique dans les supraconducteurs peut circuler indéfiniment, transférant de l'énergie gratuitement.

в pas de résistance un énorme courant pouvait circuler à travers le fil supraconducteur, qui à son tour générait des champs magnétiques d'une puissance incroyable. Ils peuvent être utilisés pour faire léviter des trains maglev (4), qui peuvent déjà atteindre des vitesses allant jusqu'à 600 km/h et sont basés sur aimants supraconducteurs. Ou utilisez-les dans les centrales électriques, remplaçant les méthodes traditionnelles dans lesquelles les turbines tournent dans des champs magnétiques pour produire de l'électricité. De puissants aimants supraconducteurs pourraient aider à contrôler la réaction de fusion. Un fil supraconducteur peut agir comme un dispositif de stockage d'énergie idéal, plutôt qu'une batterie, et le potentiel du système sera préservé pendant mille et un millions d'années.

Dans les ordinateurs quantiques, vous pouvez circuler dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d'une montre dans un supraconducteur. Les moteurs de bateaux et de voitures seraient dix fois plus petits qu'ils ne le sont aujourd'hui, et des appareils d'IRM de diagnostic médical coûteux tiendraient dans la paume de votre main. Collectée dans les fermes des vastes déserts du monde entier, l'énergie solaire peut être stockée et transférée sans aucune perte.

4. Train maglev japonais

Selon le physicien et célèbre vulgarisateur de la science, Kakudes technologies telles que les supraconducteurs inaugureront une nouvelle ère. Si nous vivions encore à l'ère de l'électricité, les supraconducteurs à température ambiante amèneraient avec eux l'ère du magnétisme.