Histoire de la supraconductivité - History of superconductivity

La supraconductivité est le phénomène de certains matériaux présentant une résistance électrique nulle et l'expulsion de champs magnétiques en dessous d'une température caractéristique . L' histoire de la supraconductivité a commencé avec la découverte par le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes de la supraconductivité dans le mercure en 1911. Depuis lors, de nombreux autres matériaux supraconducteurs ont été découverts et la théorie de la supraconductivité a été développée. Ces sujets restent des domaines d'étude actifs dans le domaine de la physique de la matière condensée .

Avec l'aide de la Van der Waals de l'équation d'état , les paramètres de point critique de gaz peuvent être prédits avec précision à partir des mesures thermodynamiques effectuées à des températures beaucoup plus élevées. Heike Kamerlingh Onnes a été fortement influencée par le travail de pionnier de Van der Waals.
En 1908, Heike Kamerlingh Onnes est devenu le premier à fabriquer de l'hélium liquide , ce qui l'a conduit directement à sa découverte en 1911 de la supraconductivité.
Heike Kamerlingh Onnes (à droite), le découvreur de la supraconductivité. Paul Ehrenfest , Hendrik Lorentz , Niels Bohr se tiennent à sa gauche.

Exploration des phénomènes ultra-froids (jusqu'en 1908)

James Dewar a initié des recherches sur la résistance électrique à basse température. Dewar et John Ambrose Fleming ont prédit qu'au zéro absolu , les métaux purs deviendraient de parfaits conducteurs électromagnétiques (bien que, plus tard, Dewar ait modifié son opinion sur la disparition de la résistance, estimant qu'il y aurait toujours une certaine résistance). Walther Hermann Nernst a développé la troisième loi de la thermodynamique et a déclaré que le zéro absolu était inaccessible. Carl von Linde et William Hampson , tous deux chercheurs commerciaux, déposent presque en même temps des brevets sur l' effet Joule-Thomson pour la liquéfaction des gaz . Le brevet de Linde était le point culminant de 20 ans d'enquête systématique sur des faits établis, en utilisant une méthode régénérative à contre-courant. Les conceptions de Hampson étaient également d'une méthode régénérative. Le processus combiné est devenu connu sous le nom de processus de liquéfaction Hampson-Linde .

Onnes a acheté une machine Linde pour ses recherches. Le 21 mars 1900, Nikola Tesla a obtenu un brevet pour les moyens d'augmenter l'intensité des oscillations électriques en abaissant la température, ce qui était causé par une résistance réduite. Dans ce brevet, il décrit l'intensité et la durée accrues des oscillations électriques d'un circuit résonant à basse température . On pense que Tesla avait prévu que la machine de Linde serait utilisée pour atteindre les agents de refroidissement.

Une étape importante a été franchie le 10 juillet 1908 lorsque Heike Kamerlingh Onnes de l'Université de Leiden aux Pays-Bas a produit, pour la première fois, de l' hélium liquéfié , qui a un point d'ébullition de 4,2 kelvins à pression atmosphérique.

Disparition soudaine et fondamentale

Heike Kamerlingh Onnes et Jacob Clay ont réexaminé les expériences antérieures de Dewar sur la réduction de la résistance à basse température. Onnes a commencé les investigations avec le platine et l' or , les remplaçant plus tard par le mercure (un matériau plus facilement raffinable). Les recherches d'Onnes sur la résistivité du mercure solide à des températures cryogéniques ont été réalisées en utilisant de l'hélium liquide comme réfrigérant. Le 8 avril 1911, à 16 heures, Onnes nota « Kwik nagenoeg nul », qui se traduit par « [Résistance du] mercure presque nulle. A la température de 4,19 K, il constate que la résistivité disparaît brutalement (l'appareil de mesure qu'Onnes utilisait n'indiquait aucune résistance). Onnes a divulgué ses recherches en 1911, dans un article intitulé " Sur la vitesse soudaine à laquelle la résistance du mercure disparaît. " Onnes a déclaré dans cet article que la " résistance spécifique " est devenue des milliers de fois moindre par rapport au meilleur conducteur ordinaire. Température. Onnes a ensuite inversé le processus et constaté qu'à 4,2 K, la résistance revenait au matériau. L'année suivante, Onnes publie d'autres articles sur le phénomène. Initialement, Onnes a appelé le phénomène « supraconductivité » (1913) et, seulement plus tard, a adopté le terme « supraconductivité » . Pour ses recherches, il a reçu le prix Nobel de physique en 1913.

Onnes a mené une expérience, en 1912, sur l'utilisabilité de la supraconductivité. Onnes a introduit un courant électrique dans un anneau supraconducteur et a retiré la batterie qui l'a généré. En mesurant le courant électrique, Onnes a constaté que son intensité ne diminuait pas avec le temps. Le courant a persisté en raison de l'état supraconducteur du milieu conducteur.

Au cours des décennies suivantes, la supraconductivité a été trouvée dans plusieurs autres matériaux; En 1913, le plomb à 7 K, le niobium des années 30 à 10 K, et en 1941 le nitrure de niobium à 16 K.

Enigmes et solutions (1933-)

La prochaine étape importante dans la compréhension de la supraconductivité a eu lieu en 1933, lorsque Walther Meissner et Robert Ochsenfeld ont découvert que les supraconducteurs expulsaient des champs magnétiques appliqués, un phénomène connu sous le nom d' effet Meissner . En 1935, les frères Fritz London et Heinz London ont montré que l'effet Meissner était une conséquence de la minimisation de l' énergie libre électromagnétique transportée par le courant supraconducteur. En 1950, la théorie phénoménologique de Ginzburg-Landau de la supraconductivité a été conçue par Lev Landau et Vitaly Ginzburg .

La théorie de Ginzburg-Landau, qui combinait la théorie des transitions de phase du second ordre de Landau avec une équation d' onde de type Schrödinger, a réussi à expliquer les propriétés macroscopiques des supraconducteurs. En particulier, Alexei Abrikosov a montré que la théorie de Ginzburg-Landau prédit la division des supraconducteurs en deux catégories maintenant appelées Type I et Type II. Abrikosov et Ginzburg ont reçu le prix Nobel de physique 2003 pour leurs travaux (Landau étant décédé en 1968). Toujours en 1950, Emanuel Maxwell et, presque simultanément, CA Reynolds et al. ont trouvé que la température critique d'un supraconducteur dépend de la masse isotopique de l' élément constitutif . Cette découverte importante a indiqué que l'interaction électron-phonon était le mécanisme microscopique responsable de la supraconductivité.

Théorie BCS

La théorie microscopique complète de la supraconductivité a finalement été proposée en 1957 par John Bardeen , Leon N. Cooper et Robert Schrieffer . Cette théorie BCS expliquait le courant supraconducteur comme un superfluide de paires de Cooper , paires d'électrons interagissant par l'échange de phonons . Pour ce travail, les auteurs ont reçu le prix Nobel de physique en 1972. La théorie BCS a été établie sur des bases plus solides en 1958, lorsque Nikolay Bogolyubov a montré que la fonction d'onde BCS, qui avait été à l'origine dérivée d'un argument variationnel, pouvait être obtenue en utilisant une transformation canonique de l' hamiltonien électronique . En 1959, Lev Gor'kov montra que la théorie BCS se réduisait à la théorie de Ginzburg-Landau proche de la température critique. Gor'kov fut le premier à dériver l'équation d'évolution de phase supraconductrice .

Effet Petits-Parcs

L'effet Little-Parks a été découvert en 1962 dans des expériences avec des cylindres supraconducteurs vides et à parois minces soumis à un champ magnétique parallèle . La résistance électrique de tels cylindres présente une oscillation périodique avec le flux magnétique à travers le cylindre, la période étant h /2 e  = 2,07.10 -15 V.s. L'explication fournie par William Little et Ronald Parks est que l'oscillation de résistance reflète un phénomène plus fondamental, c'est-à-dire l'oscillation périodique de la température critique supraconductrice ( T c ). C'est la température à laquelle l'échantillon devient supraconducteur. L'effet Little-Parks est le résultat du comportement quantique collectif des électrons supraconducteurs. Il reflète le fait général que c'est le fluxoïde plutôt que le flux qui est quantifié dans les supraconducteurs. L'effet Little-Parks démontre que le potentiel vecteur se couple à une grandeur physique observable, à savoir la température critique supraconductrice.

Activité commerciale

Article détaillé : Applications technologiques de la supraconductivité

Peu de temps après avoir découvert la supraconductivité en 1911, Kamerlingh Onnes a tenté de fabriquer un électro-aimant avec des enroulements supraconducteurs, mais a découvert que des champs magnétiques relativement faibles détruisaient la supraconductivité dans les matériaux qu'il étudiait. Beaucoup plus tard, en 1955, George Yntema a réussi à construire un petit électro-aimant à noyau de fer de 0,7 tesla avec des enroulements de fil de niobium supraconducteur. Puis, en 1961, JE Kunzler, E. Buehler, FSL Hsu et JH Wernick ont ​​fait la découverte surprenante qu'à 4,2 kelvins, un composé composé de trois parties de niobium et d'une partie d'étain était capable de supporter une densité de courant de plus de 100 000 ampères. par centimètre carré dans un champ magnétique de 8,8 tesla. Bien qu'il soit cassant et difficile à fabriquer, le niobium-étain s'est depuis révélé extrêmement utile dans les superaimants générant des champs magnétiques pouvant atteindre 20 teslas. En 1962, Ted Berlincourt et Richard Hake ont découvert que des alliages moins cassants de niobium et de titane conviennent à des applications jusqu'à 10 teslas. Peu de temps après, la production commerciale de fil de superaimant niobium-titane a commencé à Westinghouse Electric Corporation et à Wah Chang Corporation. Bien que le niobium-titane possède des propriétés supraconductrices moins impressionnantes que celles du niobium-étain, le niobium-titane est néanmoins devenu le matériau de super-aimant le plus utilisé, en grande partie en raison de sa très grande ductilité et de sa facilité de fabrication. Cependant, le niobium-étain et le niobium-titane trouvent une large application dans les imageurs médicaux IRM, les aimants de courbure et de focalisation pour d'énormes accélérateurs de particules à haute énergie, et une foule d'autres applications. Conectus, un consortium européen pour la supraconductivité, a estimé qu'en 2014, l'activité économique mondiale, pour laquelle la supraconductivité était indispensable, s'élevait à environ cinq milliards d'euros, les systèmes d'IRM représentant environ 80% de ce total.

En 1962, Brian Josephson a fait la prédiction théorique importante qu'un supercourant peut circuler entre deux morceaux de supraconducteur séparés par une fine couche d'isolant. Ce phénomène, désormais appelé effet Josephson , est exploité par des dispositifs supraconducteurs tels que les SQUID . Il est utilisé dans les mesures disponibles les plus précises du flux magnétique quantique h /2 e , et donc (couplé à la résistivité de Hall quantique ) pour la constante de Planck h . Josephson a reçu le prix Nobel de physique pour ce travail en 1973.

En 1973 Nb
3Ge s'est avéré avoir une T c de 23 K, qui est restée la T c à pression ambiante la plus élevée jusqu'à la découverte des supraconducteurs à haute température en cuprate en 1986 (voir ci-dessous).

Supraconducteurs à haute température

Article principal: supraconducteurs à haute température
Chronologie des supraconducteurs

En 1986, J. Georg Bednorz et K. Alex Mueller ont découvert la supraconductivité dans un matériau de pérovskite cuprate à base de lanthane , qui avait une température de transition de 35 K (prix Nobel de physique, 1987) et était le premier des supraconducteurs à haute température . Il fut rapidement découvert (par Ching-Wu Chu ) que le remplacement du lanthane par de l' yttrium , c'est-à-dire la fabrication d' YBCO , élevait la température critique à 92 K, ce qui était important car l' azote liquide pouvait alors être utilisé comme réfrigérant (à pression atmosphérique, l'ébullition point d'azote est de 77 K). Ceci est important sur le plan commercial car l'azote liquide peut être produit à moindre coût sur place sans matières premières et n'est pas sujet à certains des problèmes (bouchons d'air solides, etc.) de l'hélium dans les canalisations. De nombreux autres supraconducteurs cuprates ont été découverts depuis, et la théorie de la supraconductivité dans ces matériaux est l'un des principaux défis majeurs de la physique théorique de la matière condensée .

En mars 2001, la supraconductivité du diborure de magnésium ( MgB
2) a été trouvé avec T c = 39 K.

En 2008, l' oxypnictide ou les supraconducteurs à base de fer ont été découverts, ce qui a conduit à une rafale de travaux dans l'espoir que leur étude fournirait une théorie des supraconducteurs cuprate.

En 2013, la supraconductivité à température ambiante a été atteinte dans YBCO pendant des picosecondes, en utilisant de courtes impulsions de lumière laser infrarouge pour déformer la structure cristalline du matériau.

En 2017, il a été suggéré que les matériaux extra-durs non découverts (par exemple, le bêta-titane dopé critique Au) pourraient être candidats pour un nouveau supraconducteur avec Tc, sensiblement supérieur à HgBaCuO (138 K), peut-être jusqu'à 233 K, ce qui serait même supérieur à H 2 S. De nombreuses recherches suggèrent que le nickel pourrait en outre remplacer le cuivre dans certaines pérovskites, offrant une autre voie vers la température ambiante. Des matériaux dopés au Li+ peuvent également être utilisés, c'est-à-dire que le matériau de batterie spinelle LiTi 2 O x et la pression du réseau peuvent augmenter Tc à plus de 13,8 K. De plus, LiHx a été théorisé pour se métalliser à une pression sensiblement inférieure à H et pourrait être un candidat pour un supraconducteur de type 1.

Publications historiques

Articles de HK Onnes

  • « La résistance du mercure pur aux températures de l'hélium ». Comm. Leyde . 28 avril 1911.
  • "La disparition de la résistivité du mercure". Comm. Leyde . 27 mai 1911.
  • « Sur le changement soudain de la vitesse à laquelle la résistance du mercure disparaît ». Comm. Leyde . 25 novembre 1911.
  • « L'imitation d'un courant moléculaire ampère ou d'un aimant permanent au moyen d'un supraconducteur ». Comm. Leyde . 1914.

Théorie BCS

  • J. Bardeen, LN Cooper et JR Schrieffer, "Théorie de la supraconductivité," Phys. Rév. 108 , 1175 (1957), doi : 10.1103/PhysRev.108.1175

Autres documents clés

  • W. Meissner et R. Ochsenfeld, Naturwiss. 21 , 787 (1933), doi : 10.1007/BF01504252
  • F. London et H. London, "Les équations électromagnétiques du supraconducteur," Proc. Roy. Soc. (Londres) A149 , 71 (1935), ISSN 0080-4630 .
  • VL Ginzburg et LD Landau, Zh. Eksp. Teor. Fiz. 20 , 1064 (1950)
  • E. Maxwell, "Effet isotopique dans la supraconductivité du mercure" Phys. Rév. 78 , 477 (1950), doi : 10.1103/PhysRev.78.477
  • CA Reynolds et al. , "Supraconductivité des isotopes du mercure," Phys. Rev. 78 , 487 (1950), doi : 10.1103/PhysRev.78.487
  • AA Abrikosov, "Sur les propriétés magnétiques des supraconducteurs du deuxième groupe," Soviet Physics JETP 5 , 1174 (1957)
  • WA Little et RD Parks, "Observation de la périodicité quantique dans la température de transition d'un cylindre supraconducteur," Phys. Rév. Lett. 9 , 9 (1962) doi : 10.1103/PhysRevLett.9.9
  • BD Josephson, "Possible new effects in supraconductive tunnelling," Physics Letters 1 , 251 (1962), doi : 10.1016/0031-9163(62)91369-0

Brevets

Voir également

Liens externes et références