supra conducteur s

Les materiaux supraconducteurs

Rapport dEpistemologie

Wiest-Million NicolasLemoine JulienSolt Edouard

Lundi 22 Juillet 2002


Table des matie`res

1 Les Supraconducteurs : Une definition 1

2 Histoire des supraconducteurs 2

3 Les differents types 63.1 Le type I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63.2 Le type II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.3 Les supraconducteurs Atypiques et le futur . . . . . . . . . . . . 9

3.3.1 les fullerenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.3.2 les supraconducteurs organiques . . . . . . . . . . . . . . 103.3.3 les Fermions lourds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.3.4 les Ruthenates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

4 Recentes decouvertes et applications de la supraconductivite 134.1 Les applications medicales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134.2 Les aimants pour la recherche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144.3 Les tokamaks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144.4 Le stockage de lelectricite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144.5 Les trains a` levitation magnetique . . . . . . . . . . . . . . . . . 144.6 La magnetohydrodynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154.7 La bombe electromagnetique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154.8 Les supraconducteurs plastiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164.9 Nanotubes de carbone pure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174.10 Espoirs pour un metal Dope Supraconducteur . . . . . . . . . . . 184.11 Generateur De Pesanteur a Impulsion ? . . . . . . . . . . . . . . . 194.12 Supraconductivite dans les ge`nes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

5 La recherche de nouveaux materiaux 215.1 Synthe`se et optimisation des cuprates . . . . . . . . . . . . . . . 215.2 La mise en Forme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

5.2.1 Les autres familles supraconductrices . . . . . . . . . . . . 22

References 24

Rapport dEpistemologie 1


Chapitre 1

Les Supraconducteurs : Unedefinition

Les materiaux supraconducteurs de taille macroscopique ont les proprietes,en dessous dune certaine temperature, dune part de sopposer a` la penetrationdune induction magnetique exterieure, dautre part de pouvoir etre le sie`ge decourants electriques, sans pour autant que cette circulation saccompagne de dis-sipation denergie. On distingue notamment deux types de supraconducteurs :les supraconducteurs de premie`re espe`ce se caracterisent par le fait que, tantque linduction magnetique exterieure est inferieur a` une certaine valeur cri-tique, le champ interieur est nul a` l interieur du materiau ; les supraconducteursde deuxie`me espe`ce se caracterisent par l existence de deux champs critiquesou le materiau se comporte soit comme un conducteur normal, soit le champpene`tre partiellement dans le volume du materiau soit le champ interne est nul ;il existe ainsi un domaine de champs exterieurs autorisant la presence deffetsdissipatifs associes au courant electrique. On appelle transition le passage duconducteur de l etat supraconducteur a` letat normal, ou resistif. La transitionpeut etre obtenue par depassement de la temperature critique du conducteur,ou de linduction magnetique critique du conducteur ou enfin par depassementde la densite de courant critique dans le conducteur.



Chapitre 2

Histoire dessupraconducteurs

En 1911 la supraconductivite a ete dabord observee dans le mercure parle physicien hollandais Heike Kamerlingh Onnes (cf fig. 1) dUniversite Leiden.Quand il la rafrachi a` la temperature de lhelium liquide, 4 degres Kelvin, saresistance a soudainement disparu. Lechelle de Kelvin represente une echelleabsolue de temperature. Ainsi, il etait necessaire pour Onnes de venir dans4 degres de la temperature la plus froide qui est theoriquement accessible pouretre temoin du phenome`ne de la supraconductivite. Plus tard, en 1913, il a gagneun Prix Nobel de physique pour sa recherche dans ce secteur.

Fig. 2.1 Heike Kamerlingh Onnes

Le grand evenement marquant la comprehension du comportement de lamatie`re aux temperatures froides extremes est arrive en 1933. Walter Meissner etRobert Ochsenfeld ont decouvert quun materiel de supraconducteur repousseraun champ magnetique. Un aimant se deplacant pre`s dun conducteur envoie descourants dans le conducteur. Cest le principe sur lequel le generateur electriquefonctionne. Mais, dans un supraconducteur, les courants envoyes reproduisentexactement le champ qui aurait autrement penetre dans le materiel du su-praconducteur - repoussant ainsi laimant. On connat ce phenome`ne comme



demagnetisation et est aujourdhui souvent mentionne comme leffet de Meiss-ner. Leffet de Meissner est si fort quun aimant peut en realite etre soulevepar levitation sur un materiel supraconducteur.

Durant la decennie suivante, dautres metaux de supraconductivite ont etedecouverts soit des alliages et des composes. En 1941 le Niobium - Nitride a etetrouve pour supraconduire a` 16 K. En 1953 Silicium de vanadiums a montredes proprietes superconductrices a` 17.5 K. En 1962 les scientifiques a` Westin-ghouse ont developpe le premier fil supraconducteur commercial, un alliage deNiobium et le Titanium. La premie`re utilisation de ce fil de haute energie futdes electro-aimants pour accelerateur de particule, cependant, il nest apparuquen 1987 ou` il a ete employe au Fermilab Tevatron.

Fig. 2.2 John Bardeen, Leon Cooper et John Schrieffer

La premie`re comprehension theorique largement acceptee de supraconduc-tivite a ete avancee en 1957 par des physiciens americains John Bardeen, LeonCooper et John Schrieffer (cf fig. 2). Leurs Theories de Supraconductivite sontdevenues comme la theorie BCS - tire de la premie`re lettre du nom de fa-mille de chaque homme - et leur ont merite un prix Nobel en 1972. La theoriemathematique et complexe BCS a explique la supraconductivite aux tempera-tures pre`s du zero absolu pour des elements et des alliages simples. Cepen-dant, aux temperatures plus hautes et avec des syste`mes de supraconducteurdifferents, la theorie BCS est par la suite devenue inadequate dans lexplicationcomple`te du phenome`ne de la supraconductivite.

Un autre avancement theorique significatif est arrive en 1962 ou` Brian D.Josephson(cf fig. 3), un etudiant de troisie`me cycle a` lUniversite de Cambridge,a prevu que le courant electrique coulerait entre 2 materiaux supraconducteurs- meme quand ils sont separes par un element non-supraconducteur ou un iso-lant. Sa prediction fut confirmee plus tard et lui permit de gagner une partdu Prix Nobel de Physique de 1973. On connat aujourdhui ce phenomene detonnelage comme celui de leffet Josephson et ont ete applique aux disposi-tifs electroniques comme le CALMAR, un instrument capable de detecter leschamps magnetiques les plus faibles.



Fig. 2.3 Brian D. Josephson

Les annees 1980 furent une decennie de decouverte sans precedent dans ledomaine des supraconducteurs. En 1964 Bill Little de lUniversite Stanford avaitsuggere la possibilite de supraconducteurs organiques (a` base de carbone). Lepremier de ces supraconducteurs theoriques a ete synthetise avec succe`s en 1980par le Chercheur danois Klaus Bechgaard de lUniversite de Copenhague et 3membres dequipe francaise. (TMTSF)2PF6 a du etre rafrachi a` un incroyable-ment froid de 1.2K (la temperature de transition connu comme Tc) et soumisa` de haute pression pour superconduire. Mais, sa simple existence a prouve lapossibilite de la creation de molecules - des molecules modelees pour sexecuterdune facon previsible.

Fig. 2.4 Alex Muller et Georg Bednorz

Alors, en 1986, une veritable decouverte a ete faite dans le domaine de lasupraconductivite. Alex Muller et Georg Bednorz (cf fig. 4), des chercheurs auLaboratoire de recherches IBM a` Ruschlikon en Suisse, ont cree un compose deceramique fragile qui a superconduit a` la temperature la plus haute alors connuesoit 30 K. Ce qui a rendu remarquable cette decouverte etait que la ceramiqueest normalement un isolant. Ils ne conduisent pas du tout lelectricite. Ainsi,



les chercheurs ne les avaient pas consideres comme de possibles elements su-praconducteurs de haute temperature. Le Lanthanum, le Baryum, le Cuivre etle compose dOxyge`ne que Muller et Bednorz ont synthetises, leurs comporte-ments ne sont pas encore compris. La decouverte de ce premier supraconducteurde ceramique a fait gagne aux 2 hommes un Prix Nobel lannee suivante. Il futprouve par la suite que des quantites minuscules de ce materiel supercondui-saient en realite a` 58 K, grace a` une petite quantite de plomb ajoute commeune norme de calibrage - rendant la decouverte encore plus remarquable.

La decouverte de Muller et Bednorz a declenche une rafale dactivite dansle domaine de supraconductivite. Les chercheurs ont dans le monde entier com-mence a` faire cuire la ceramique en imaginant diverse combinaison a` la re-cherche de Tc de plus haut en plus haut. En janvier de 1987 une equipe derecherche de lUniversite de lAlabama - Huntsville a substitue Yttrium au Lan-thanum dans la molecule de Muller et Bednorz et a realise un incroyable 92 K Tc.Pour la premie`re fois un materiel (aujourdhui mentionne comme YBCO) avaitete trouve qui permettait la supraconductivite a` des temperatures plus chaudque lazote liquide - qui est un liquide de refroidissement facilement disponible.Des evenements marquants complementaires ont depuis ete realises en utilisantdes elements exotiques - et souvent le toxique - dans la base de ceramique per-ovskite. La classe actuelle (ou le syste`me) de supraconducteurs de ceramiquesavec les temperatures de transition la plus haute est le mercuric-cuprates. Lapremie`re synthe`se dun de ces composes a ete realisee par le professeur Dr.UlkerOnbasli de lUniversite du Colorado en 1993. Le record du monde Tc de 138 Kest maintenant detenu par un enduit de thallium, incluant du mercuric-cupratequie est un des elements du Mercure, le Thallium, le Baryum, le Calcium, leCuivre et lOxyge`ne. Le Tc de ce supraconducteur ceramique a ete confirme parDr. Ron Goldfarb de lInstitut National de Standards et de technologie du Colo-rado en fevrier de 1994. Sous une pression extreme son Tc peut etre pousse memeplus haut - approximativement de 25 a` 30 degres de plus a` 300,000 atmosphe`res.

Tandis quaucuns avancements significatifs dans la supraconductivite Tc ontete realises ces dernie`res annees, dautres decouvertes dimportance egale ontete faites. En 1997 les chercheurs ont decouvert qua` une temperature tre`s pre`sdu zero absolu un alliage dor et indium etait supraconducteur et un aimantnaturel. Lopinion generale admettait quun materiel avec de telles proprietesne pouvait pas exister. Plus recemment, il y eut la decouverte du premier su-praconducteur a` une temperature elevee qui ne contient pas de cuivre - et ladecouverte du premier supraconducteur en plastique.



Chapitre 3

Les differents types

3.1 Le type I

La categorie des supraconducteurs de type I est principalement constituee demetaux et de metalloides qui presentent une certaine conductivitee a` temperatureambiante. Ils requie`rent une tre`s basse temperature pour ralentir assez les vibra-tions moleculaires et faciliter ainsi le flux delectron sans frottement en accordavec la theorie BCS. La theorie BCS sugge`re que les electrons se couplent enpaires de Cooper de facon a` saider les uns les autres a` passer les obstaclesmoleculaires (un peu comme dans une course de voitures sur circuit ou` les pilotese suivent de tre`s pre`s pour aller plus vite).

Les supraconducteurs de type I (nommes soft superconductors en anglais)ont ete decouvert en premier et requie`rent une tre`s basse temperature pourobtenir de la supraconductivite. Ce type est caracterise par une transition bru-tale vers un etat de supraconductivite et un parfait diamagnetisme (capacite derepousser un champ magnetique). Ci-dessous une liste de materiaux supracon-ducteurs de type I et la temperature de transition critique en dessous de laquellele materiau est supraconducteur.



Element Temperature critiqueCarbon (C) 15KLead (Pb) 7,2K

Lanthanum (La) 4,9KTantalum (Ta) 4,47KMercury (Hg) 4.15K

Tin (Sn) 3,72KIndium (In) 3,40KThallium (Tl) 1,70KRhenium (Re) 1,697K

Protactinium (Pa) 1,40KThorium (Th) 1,38KAluminum (Al) 1,175KGallium (Ga) 1,10K

Gadolinium (Gd) 1,083KMolybdenum (Mo) 0,915K

Zinc (Zn) 0,85KOsmium (Os) 0.66KZirconium (Zr) 0,61KAmericium (Am) 0,60KCadmium (Cd) 0,517KRuthenium (Ru) 0,49KTitanium (Ti) 0,40KUranium (U) 0,20KHafnium (Hf) 0,128KIridium (Ir) 0,1125K

Lutetium (Lu) 0,100KBeryllium (Be) 0,026KTungsten (W) 0,0154KPlatinum (Pt)1 0,0019KRhodium (Rh) 0,000325K

Dautres elements peuvent etre mis en etat de supraconduction par appli-cation de hautes pressions. Par exemple le supraconducteur de type I avec latemperature critique la plus elevee est le sulfure a` 17K. Mais il a besoin dunepression de 930 000 atmosphe`res pour etre supraconducteur et de 1,6 millionatmosphe`res pour atteindre sa temperature critique de 17K. La liste plus basest pour les elements supraconducteurs a` pression atmospherique normale. Letableau periodique ci-dessous indique tous les elements connus supraconduc-teurs (incluant le Niobium, Technetium et Vanadium qui sont techniquementsupraconducteurs de type II).

3.2 Le type II

Excepte pour les elements Vanadium, Technetium et niobium, la categoriedes supraconducteurs de Type II est faite de composes metalliques et dal-liages. La decouverte recente de composes superconducteurs perovskites (lesceramiques metal-oxyde, qui ont normalement un ratio de 2 atomes de metal



Fig. 3.1 Elements supraconducteurs connus

pour 3 atomes doxyge`ne) appartient au groupe des Types II. Il ont une tempera-ture critique plus elevee que le Type I par un mecanisme non encore entie`rementcompris. La sagesse conventionnelle maintient que cela est due aux couches pla-naires a` linterieur de la structure crystalline. Bien que des recherches recentessugge`re que cela est du a` des trous datomes doxyge`ne sous-charge dans lesreservoirs de charge.

Les cuprates superconducteurs (oxydes de cuivre) ont donne des temperaturescritiques etonement hautes quand on conside`re quen 1985 la plus haute tempera-ture critique atteignait seulement les 23K. Actuellement la plus haute de cestempera-tures est 138K. Une des theorie predi une limite autour de 200K pour lescuprates en couches (Vladimir Kresin, Phys. Reports 288, 347 - 1997). Dautrespredissent quil ny a pas de limite. Quelle que soit la voie, il est a` peu pre`scertains que dautres composes attendent encore detre decouvert au sein dessupraconducteurs a` haute temperature.

Le premier compose Supraconducteur de type II, un alliage de plomb etde bismuth, a ete fabrique en 1930 par W. de Hass et J. Voogd. Mais, il naete reconnu comme supraconducteur que longtemps plus tard, apre`s que leffetMeissner nai ete decouvert. Le premier des oxydes supraconducteur a ete creeen 1973 par DuPont, (Art Sleight) avec le Ba(Pb,Bi)O3 qui a` une temperaturecritique de 13K. Les superconducteurs oxocuprates ont suivit en 1986.



Les supraconducteur de Type II (aussi nommes en anglais : hard super-conductors) differents du Type I dans le fait que leur transition dun etatnormal a` un etat supraconducteur est graduel dans des regions detat mixte.Un supraconducteur de Type II autorisera aussi de lege`res penetrations par unchamp magnetique exterieur dans sa surface. Ce qui generera quelques nouveauxphenome`nes macroscopique comme les lignes supraconductrices et le vortexde flux fenetree.

Il existe beaucoup trop de supraconducteurs pour les lister en totalite. Voicicertains des plus interessant, liste par similarite et temperatures critiques des-cendantes :

Hg0.8T l0.2Ba2Ca2Cu3O8.33 138 K (record)HgBa2Ca2Cu3O8 133-135 KHgBa2Ca3Cu4O10+ 125-126 K

HgBa2Ca1xSrxCu2O6+ 123-125 KHgBa2CuO4+ 94-98 K

T l2Ba2Ca2Cu3O10 127KT l1.6Hg0.4Ba2Ca2Cu3O10+ 126K

T lBa2Ca2Cu3O9+ 123KT l0.5Pb0.5Sr2Ca2Cu3O9 120K

T lBa2Ca3Cu4O11 112KT l2Ba2Ca3Cu4O12 112K

3.3 Les supraconducteurs Atypiques et le futur

3.3.1 les fullerenes

Comme si les ceramiques supraconductrices netaientt pas assez etranges,dautres superconducteurs encore plus mysterieux ont ete decouverts. Parmisceux-ci, un est base sur des composes centre autour des Fullerene. Le nomFullerene viens du designer-auteur Buckminster Fuller. Fuller est linventeurdu dome geodesique (structure a` la forme de ballon de football). Les Fulle-renes (aussi appelle buckminsterfullerene ou buckyball) existent a` un niveaumoleculaire lorsque 60 atomes de carbone se joignent pour faire une sphe`re.Quand une fullerene est doppee avec un ou plusieurs metaux alcalins elle de-vient une fulleride et souvent aussi supraconductrice. Les fulleride supracon-ductrices ont une temperature critique entre 8K pour Na2Rb0.5Cs0.5C60 jusqua40K pour Cs3C60. Dautre temperatures critiques encores superieures ont etegeneree pour des C60 en utilisant des transistors a` effet de champs pour perfec-tionner la densite des porteurs de charges. Une temperature critique de 117K aete recement trouvee par des chercheurs du Bell Labs quand chaque moleculleetaient dynamiquement ajuste vers 3-3.5 trous par C60 apre`s dopage au CHBr3.(un trou est un espace manquant charge positivement dans la surface.)



Fig. 3.2 (TMTSF )2PF6 Le premier supraconducteur organique decouvert

De plus grandes structures de fullerenes non spheriques qui sont supracon-ductrices ont ete recemement trouvee. En avril 2001 des chercheurs chinois deluniversite de Hong-Kong ont trouve de la supraconductivite unidimensionnelledans des nanotubes de carbone au alentours de 15K. Des fullerenes basee surdu silicium comme le Na2Ba2Si46 sont aussi superconductrices bien que leurstructure soit un reseau infini plutot que des molecules discre`tes.

Les fullerenes comme les ceramiques supraconductrices sont des decouvertesplutot recentes. En 1985 le professeur F. Curl et Richard E. Smalley de luniver-site Rice de Houston ainsi que le professeur Sir Harrold W. Kroto de luniversitede Brighton ont accidentellement trouve ces composes. La decouverte de fulle-rides aux metaux alcalins viens peu apre`s en 1991 quand Robert Haddon et leBell Labs ont annonce que le K3C60 est supraconducteur a` 18K. Les fullerenesfont techniquement parti dune famille plus grande de conducteurs organiquesqui sont decris plus bas.

3.3.2 les supraconducteurs organiques

Les supraconducteurs organiques font partie de la famille des conducteursorganiques qui incluent : les sels moleculaires, les polyme`res et les systemes decarbone pure (qui inclue les nano tubes de carbone et les composes C60). Les selsmoleculaires dans cette famille sont des molecules organique de grande taille quiposse`dent des proprietes de supraconductivite a` des temperatures tre`s basses.Pour cette raison ils sont souvent appeles supraconducteurs moleculaires. Leurexistence a ete mise en evidence en theorie en 1964 par Bill Little de luniver-site de Stanford. Mais le premier supraconducteur organique (TMTSF )2PF6na pas ete synthetise avant 1980 par le chercheur Danois Klaus Bechgaard deluniversite de Copenhage et lequipe de chercheurs francais D.Jerome, A. Ma-zaud, et M. Ribault. A peu pre`s 50 supraconducteurs organiques ont depuis etedecouvert avec des temperatures critiques setendant de 0.4K a` environ 12K, etce, a` pression ambiante. Comme la temperature critique de ce type de composedans lintervale des supraconducteurs de Type I, les ingenieurs doivent encoreleur trouver une application pratique. Malgre cela, leurs proprietes inhabituellesles ont mis aux centres dintenses recherches. Ces proprietes incluent une ma-gnetoresistance enorme, une oscillation rapide, un effet de Hall et plus encore.Au debut de lannee 1997, une equipe a trouve que le (TMTSF )2PF6 peutresister a` un champ magnetique dune intensite de 6 Teslas. Habituellement unchamps dune fraction de celui ci detruit compltement la supraconductivite dansun materiau.



Fig. 3.3 Demonstration du phenome`ne re-entrant

Les supraconducteurs sont composes dun donneur delectron (la moleculeorganique plane) et dun accepteur delectron (un anion non organique).Ci-dessous quelques exemples de supraconducteurs organiques :(donneur suivit de laccepteur)

(TMTSF )2ClO4(BETS)2GaCl4(BEDO TTF )2ReO4H2O

Decouvert en 1993 par Bob Cava et le Bell Labs, les Borocarbides sontparmis les moins compris des supraconducteurs. On a longtemps suppose quedes supraconducteurs ne pouvaient pas etre forme de metaux ferromagnetiquescomme le fer, le cobalt ou le nikel. Cest lequivalent que de vouloir melangerde leau et de lhuile. Mais le carbone et le bore dans les molecules sembleagir comme des mitigeur. La supraconductivite est aussi possible grace auxsites crystallographiques pour les ions magnetiques qui sont isoles du chemin deconduction. En plus, lorsquils sont combines avec des elements aux proprietesmagnetiques inhabituelles (comme le holmium) un phenome`ne re-entrant peutetre mis en evidence. Sous la temperature critique, il y a une temperature dis-cordante, ou le materiau reprend un etat non-supraconducteur.

3.3.3 les Fermions lourds

Les Fermions lourds sont des composes qui contienent des elements rarecomme le Ce ou le Y b ou des actinides comme U . Leurs electrons de conduc-tion ont souvent une grande masse, plusieurs fois plus grande que celle dunelectron normal ce qui en fait des candidats difficiles au role de supracon-ducteurs. Mais a` temperature cryogenique beaucoup de ces materiaux sor-donnent magnetiquement, dautres offrent un aspect paramagnetique, et cer-tains montrent de la supraconductivite par un mecanisme qui se heurte a` latheorie BCS. La recherche sugge`re que les paires de cuivre sorganisent dans lefermions lourd grace a` linteraction magnetique du a` la rotation des electronsplutot qua` leur vibration.

La premie`re observation de supraconductivite dans un syste`me de fermionslourd a ete faite par E. Bucher en 1973 dans le compose UBe13 mais a` cemoment on avait attribue la propriete au filament dUranium. La supracon-ductivite na ete reconnue dans un fermion lourd quen 1979 quand le Dr FrankSteglich de linstitut Max Planck a realise que cette propriete residait aussi dansle CeCu2Si2. Leurs temperatures de transition etant dans lintervalle de celui



des supraconducteurs de Type I, leur interet est limite.

3.3.4 les Ruthenates

Au milieu des annees 1990, il a ete decouvert que les plans de cuivre-oxyge`nene sont pas les seuls supports a` la supraconductivite dans les perovskites. En1994 des physiciens dIBM Zurich et de luniversite dHiroshima on collaborepour etudier les plans atomiques de ruthenium-oxyge`ne a` cause de leurs simili-tudes avec ceux de cuivres-oxyge`ne. Yoshiteru Maeno et ses colle`gues ont trouveque le compose Sr2RuO4 montre de la supraconductivite a` 1.5K. Bien quetanta` un temperature tre`s basse pour un supraconducteur perovkite, cela a montreun nouveau potentiel dans la recherche dans ce qui est connu sous le nom deRuthenates. Peu apre`s il a ete decouvert le SrRuO et le SRY RuO6 commemateriaux supraconducteurs a` de tre`s basses temperatures. Les proprietes duStrontium-ruthenates sont aussi peu usuel, elles ont ete decrites comme analogueau superfluide He



Chapitre 4

Recentes decouvertes etapplications de lasupraconductivite

4.1 Les applications medicales

Une application medicale est limagerie par resonance magnetique (I.R.M.).LI.R.M. est basee sur le principe suivant : un noyau atomique dote dun mo-ment magnetique et soumis a` une induction Bo constante decrit un mouvementde precession autour de son axe avec une vitesse angulaire proportionnelle a`Bo. En appliquant un champ magnetique perpendiculaire a` Bo, on observe unphenome`ne de resonance si la frequence dexcitation f est egale a` la vitesse an-gulaire de precession. On recueille ainsi un signal caracteristique. Linductionde polarisation Bo varie dans lespace, et f aussi donc, ce qui permet lobtentiondes images.

Linduction magnetique de 0,5 a` 4 Teslas necessaire ne peut etre obtenue qua`laide daimants supraconducteurs. De plus, mis a` part la phase detablissementdu courant, lalimentation electrique na plus lieu detre. La consommation defroid est tre`s faible et le poids de lengin est reduit. Le grand gagnant est lepatient : celui-ci ne subit aucun effet nocif connu a` ce jour et les images prisesde son corps (crane, corps, membres ...) sont dexcellente qualite, ce qui permetaux medecins de faire un diagnostic correct.

Une autre application sur le meme principe que lI.R.M. est la spectrosco-pie par resonance magnetique nucleaire (RMN). A la difference de lI.R.M.,deux champs magnetiques orthogonaux entrent en jeu (un a` haute frequence,lautre continu). Sous leurs effets, les noyaux entrent en precession et emettentdes signaux que lon recueille ensuite pour lanalyse de la nature, la com-position chimique et la structure des echantillons. Et comme il faut des in-ductions magnetiques superieures a` 7-13T, les aimants supraconducteurs sontextremement utiles.



4.2 Les aimants pour la recherche

Il y a les aimants pour les laboratoires, qui generent plusieurs Teslas. Ils per-mettent letude des proprietes physiques des materiaux sous leffet de champsmagnetiques. Ces aimants supraconducteurs servent a` letude de la supracon-ductivite ! Des inductions de 31,35 Teslas ont ete obtenues et cette valeur etaitle record mondial en 1993.

Ces aimants supraconducteurs servent aussi dans la physique des particules :pour pouvoir bien guider les particules, les maintenir sur des orbites definies,focaliser et recentrer les faisceaux. Dautres aimants servent a` la detection departicules elementaires emises lors des collisions dans les accelerateurs. On adonc des aimants supraconducteurs sur tout le parcours des particules.

4.3 Les tokamaks

Lelectricite dorigine nucleaire actuellement produite provient de la fissionde noyaux datomes. On casse les gros noyaux et on en recupe`re lenergie. Maisil existe aussi la fusion nucleaire (ce qui se passe dans le soleil par exemple) : desatomes legers se combinent pour former des atomes plus lourds. Il faut pour celachauffer les noyaux tre`s fortement (100 millions de degres). Il va de soi que lesnoyaux chauffes ne peuvent toucher aucune paroi : il faut les maintenir a` letatde plasma confine dans un reacteur, et le tokamak est une voie prometteuse. Ceconfinement est obtenu par voie magnetique (sous forme dun anneau torique),et encore une fois, comme il faut des inductions tre`s elevees (dizaine de Teslas) etque les volumes concernes sont grands, les bobines torodales supraconductricessy pretent a` merveille.

4.4 Le stockage de lelectricite

Le seul moyen de conserver indefiniment lelectricite serait son stockage sousforme magnetique, evidemment dans des bobines supraconductrices. A lheureactuelle, lenergie est stockee sous forme denergie primaire : petrole, char-bon, uranium, eau (dans les barrages), etc. ... Une fois transformee en energieelectrique, il faut la consommer de preference avant la date limite : la fractionde seconde qui suit...

4.5 Les trains a` levitation magnetique

Imaginons un train qui glisse quelques centime`tres au dessus de la voie a`plus de 500 km/h. Cela existe ! A lechelle reduite, mais aussi a` lechelle 1 :1, auJapon. Pour propulser le train, il faut dabord quil entre en levitation. Deuxmethodes sont possibles : la levitation magne`tique de type electromagnetique oucelle de type electrodynamique. La premie`re ne fait pas appel a` la supraconduc-tivite, contrairement a` la seconde. Cette dernie`re est basee sur la repulsion entreles elements embarquees sur le train et des plaques conductrices (ou des bobinescourt-circuitees) situees sur la voie. Lavantage des bobines est de reduire la puis-sance dissipee. Lentrefer (distance sol-train) peut etre de 10 cm si les aimants



du train sont suffisamment puissants. Il faut faire appel a` la supraconductivite.Par interaction entre un inducteur embarque et des bobines sur la voie, le trainse meut pour le plus grand bonheur des ruminants.

En 1977, le prototype ML 500 japonais atteignit la vitesse record de 517km/h. Meme le TGV Atlantique francais ne put faire mieux treize ans apre`savec 515,3 km/h (chiffre qui reste cependant le record mondial de vitesse surrails). Ces trains a` levitation presentent plusieurs avantages : outre le fait quilscirculent a` de tre`s hautes vitesses (ce qui raccourcit la duree des trajets), ilsnusent pas les voies (car il ny a pas de contact direct), et le proble`me du captagedu courant par pantographe ne se pose plus. Les contraintes des trains sur rails(contact pantographe-catenaire, adherence, freinage, signalisation) nautorisentpas aujourdhui des vitesses commerciales au-dela` de 350 km/h. Les trains a`levitation semblent donc prometteurs, mais les proble`mes lies a` leur mise aupoint (entre autres le proble`me du captage de lenergie - il ny a plus de contact !)et les infrastructures necessaires font quaujourdhui, les trains conventionnelsont encore de beaux jours devant eux.

4.6 La magnetohydrodynamique

Des recherches sont actuellement menees sur la magnetohydrodynamique(M.H.D.). Cette nouvelle technologie permettrait de mouvoir les batiments ma-ritimes (de surface ou sous-marins, civils ou militaires) dans le plus grand silenceradar. Pour comprendre le phenome`ne, il faut se rappeler que leau de mer estconductrice. En creant des courants dans leau, une poussee est ainsi creee suitea` linteraction des ces derniers avec les champs inducteurs par les bobines em-barquees sur le navire. Cest le principe de la M.H.D. a.c. (M.H.D. a` induction).Une autre methode (celle de la M.H.D. d.c. ou M.H.D. a` conduction) reposesur le principe dune interaction entre une induction magnetique et un cou-rant continu impose par une difference de potentiel creee entre deux electrodesplongees dans leau. Une force contre-electromotrice est ainsi creee, et le navireest propulse.

4.7 La bombe electromagnetique

Malgre le fait que ces travaux soit classes secret defense, les recherches ac-tuels portent sur lutilisation de supraconducteurs a` temperature elevees(TypeII) pour creer un champ magnetique tre`s puissant.

Letat major americain teste en ce moment une bombe electromagnetiqueutilisant des supraconducteurs. Larmee espe`re employer la technologie de cettebombe pour faire exploser les charges dartillerie en plein air. La marine veutemployer la puissante impulsion de la micro-onde gene`ree par la bombe electro-magnetique pour neutraliser les missiles anti navires. LUS Air Force prevoitdequiper ses bombardiers, missiles de croisie`re et vehicules aeriens des fonction-nalites de cette bombe. Cette bombe fera partie des armes le plus sophistiqueestechnologiquement que les militaires americains nai jamais construits.



4.8 Les supraconducteurs plastiques

Fig. 4.1 Scientifiques des laboratoires de Bell travaillant sur les supraconduc-teurs plastiques

MURRAY HILL, N. J. scientifiques des laboratoires de Bell, dans la re-cherche et le developpement des technologies Lucent (NYSE : LU), ont cree lapremie`re matie`re plastique du monde dans laquelle la resistance a` lecoulementde lelectricite disparat au dessous dune certaine temperature, en faisant doncun superconducteur. Le plastique, est un materiel peu couteux qui pourrait etrelargement repandu a` lavenir pour des applications, telles que lelectronique ser-vant au calcul.

La percee du laboratoire de Bell vient apre`s une recherche de 20 ans sur lespolyme`res organiques agissant en tant que supraconducteurs. Les polyme`resorganiques sont des molecules chimiques qui contiennent une longue chainedatomes de carbone, ce qui en fait des plastiques souples.

Lannee dernie`re, le prix Nobel pour la chimie, a` ete remis aux chercheurs quiont decouvert les conducteurs en plastique, qui sont des materiaux organiquesdisposant de la resistance a` lecoulement de lelectricite Creer un polyme`reorganique supraconducteur cest avere etre plus difficiles que prevu.

Le defi en creant un superconducteur en plastique etait de surmonter las-pect aleatoire de la structure inherent au polyme`re qui empechait les interactionselectroniques necessaires pour la supraconductivite. Les scientifiques des labo-ratoires de Bell pouvaient surmonter ceci en creant un melange contenant leplastique, polythiophene. Mais, plutot que dajouter des impuretes chimiquespour changer les proprietes electriques du materiel, comme est souvent le cas,les chercheurs ont employe une nouvelle technique dans laquelle ils ont retiresdes electrons du polythiophene.



La temperature en-dessous de laquel le polythiophene est devenu supracon-ducteur etait de 2.35K. Bien que ce soit extremement froid, les scientifiques sontoptimistes, et penssent pouvoir augmenter la temperature a` lavenir en chan-geant la structure moleculaire du polyme`re.

avec la methode que nous avons employee, beaucoup de materiaux orga-niques peuvent potentiellement etre faits supraconducteur maintenant, a ditZhenan Bao, un chimiste de laboratoires de Bell qui a ete implique dans la re-cherche.

Sans compter Bao et Dodabalapur, les scientifiques des laboratoires de Bellimpliques dans la recherche etaient Hendrik Schon, Christian Kloc et BertramBatlogg. Un collaborateur de luniversite de Konstanz en Allemagne, OrtwinSchenker, a egalement participe a` la recherche.

4.9 Nanotubes de carbone pure

Fig. 4.2 Nanotubes de carbone pure supraconducteur

Un groupe de recherche chinois de luniversite de Science et de technologiede Hong Kong ont developpe des nanotubes de carbone individuels, fortementaligne qui obtiennent le comportement supraconducteur a` environ 15K, unetemperature beaucoup plus elevee que des paquets de nanotube.

Cinglement Sheng, un membre de lequipe de recherche, dit : le carbonepur peut supraconduire a` des temperatures aussi elevees quand une feuille decarbone est roulee dans les tubes. Cest la premie`re fois quon a observe la si-gnature dune dimensionnalite sur la supraconductivite. Cest tre`s interessantpuisque le monde 1D est tre`s different du monde 3D car la temperature a un



effet beaucoup plus significatif.

40 ans plus tot, deux physiciens, Mermin et Wagner, avait publies un theore`-me qui interdit les transitions de phase dans les mondes 1D et 2D. Celon Sheng,ce theore`me capture exactement ce que nous voyons dans nos nanotubes, cequi constitue surement le meilleur exemple physique dune dimensionnalite. Enraison de leffet thermique fort, ce qui a ete observe nest pas une transitionpointue a` 15K mais une transition douce ou` le comportement est dicte par unedimensionnalite.

Depuis la decouverte des fullere`nes, la supraconductivite a ete realisee dansles cristaux de metaux-dope de C60 (Buckeyballs) entre 30 et 117K. Sheng dit :le fait que les nanotubes purs de carbone peuvent suppraconduire a` 15K im-plique que doper peut augmenter la temperature de transition.

NOTE : La recherche recente de luniversite de Pennsylvanie indique queles nanotubes de carbone peuvent egalement etre le meilleur materiel thermo-conductible decouvert. De plus, dans un revue de physiques (26 mars 2002),Alexander Savin et lappui de colle`gues on offert un support a` un theore`mequi declare que la loi de Fourier sur la conduction de la chaleur ne sappliquepas generalement aux syste`mes unidimensionnels (comme les nanotubes), ou` laconductivite thermique peut etre infinie.

4.10 Espoirs pour un metal Dope Supraconduc-teur

Un nouveau record a ete etablis lannee dernie`re pour une temperature detransition de supraconducteur, 40 K, pour un compose entie`rement metallique.Il y a maintenant lespoir quun compose relatif, LiBC, pourrait fonctionner a`une temperatures elevee de 100 K, cest a` dire deux fois plus que pour le MgB 2.

Warren Pickett precise que les interactions qui sont lessence de la supracon-ductivite, le regroupement des electrons provoques par les interactions entre leselectrons et les flexings concertes (phonons) dans le materiel, sont potentielle-ment deux fois plus fortes dans le LiBC que dans le MgB 2 , particulie`rement sides trous (les vacances momentanees laissees par les electrons partis) peuventetre injectes dans lechantillon par un processus deffet de champ.

Cest un procede commun dans des transistors, ou` une electrode de surchargedes trous dans un canal entre les deux autres electrodes, de ce fait augmen-tant la conductivite dans cette region, induisant un etat metallique et produi-sant la supraconductivite. Une installation deffet de champ a aide a` amplifierla temperature supraconductrice de transition dans un cristal carbone-60 desmolecules jusqua` 117 K lannee dernie`re.



Fig. 4.3 Eugene Podkletnov

4.11 Generateur De Pesanteur a Impulsion ?

La detection des forces anormales a` proximite des supraconducteurs a haute-temperature dans des conditions de non-equilibre a stimule une recherche experi-mentale dans laquelle les parame`tres operationnels de lexperience ont ete poussesaux valeurs plus extremes que celle utilisees dans des tentatives precedentes. Lesresultats confirment lexistence dune interaction physique inattendue.

Un appareil a ete construit et examine dans lequel le supraconducteur estsoumis a des courants superieurs a 104A, des potentiels exterieurs dau moins1 MV, un champ magnetique maximum de 1T, et une temperature minumumde 40 K. Afin de produire les courants exiges une technique a` haute tension dedecharge a ete utilises, des decharges provenant dune electrode en ceramiquesupraconductrice sont accompagnees de lemission du rayonnement qui se pro-page en un faisceau focalise sans attenuation apparente au travers de differentsmateriaux, et exerce une force repulsive courte sur de petits objets mobiles lelong de laxe de propagation. Dans la mesure de lerreur (5 a` 7%), limpulsionest proportionnelle a` la masse des objets et independante de leur composition.Elle ressemble donc a` une impulsion de gravite.

Le phenome`ne observe semble etre absolument nouveau et sans precedentdans la litterature. Il ne peut pas etre inclus dans le cadre de la relativitegenerale. Une theorie est propose, qui combine une approche de pesanteur dequantum avec des fluctuations anormales de vide.

4.12 Supraconductivite dans les ge`nes

Toujours a` la quete delectronique de plus en plus petite, les scientifiquesont longtemps reve de constuire des circuits atomes par atomes. Mais trouverdes molecules capables de conduire le courant electrique nest pas chose facile.Alik Kasumov et ces colle`gues du Laboratoire de Physique des Solides de Franceont prouve que les molecules dADN agissent en tant que conducteurs ohmiquesau-dessus de 1 K et quau-dessous de cette temperature elles peuvent supracon-duire (la Science 2001).

A` la suite de la decouverte que les nanotubes de carbone peuvent agir entant que fils electriques, Kasumov a montre il y a a` deux ans que les feuilles degraphite datomes perdent leur resistance une fois reliees a un supraconducteur.Maintenant Kasumov a prouve que cela vaut egalement pour lADN en reliantles molecules bicatenaires dADN aux electrodes supraconductrisent de rhenium



et de carbone 0,5 m a` part. En refroidissant les electrodes au-dessous de leurstemperatures supraconductrice de transition, les chercheurs ont observe la su-praconductivite induite pretendue par proximite dans lADN.

La mise en evidence de la conductivite electrique dans les molecules dADN aete peu concluante jusquici. Les experiences optiques ont prouve quun transfertde charge peut etre possible sur de telles molecules. Mais ces mesures etaientpartage : certains ont indique que lADN pourrait etre un conducteur tandisque dautres suggeraient que lADN soit un isolateur. Kasumov et ces colle`guesont constate quau-dessus de 1 K, la resistance par molecule est de moins de100 Kohms, une figure qui change faiblement avec la temperature. Meme auxtemperatures tre`s basses, les chercheurs ont constate que les molecules dADNpeuvent conduire ohmiquement sur des distances de quelques cent nanometres.

Cependant, le mecanisme physique responsable de la conduction de ADNdemeure peu clair et il est possible que les contacts agissent en tant que dopantsforts des electrons ou des trous. Les chercheurs ajoutent que les mesures deconductivite pourraient aider des biologistes a` rechercher des ordres particuliersdes paires basses dans des molecules dADN.



Chapitre 5

La recherche de nouveauxmateriaux

5.1 Synthe`se et optimisation des cuprates

A linterieur de la grande famille des cuprates supraconducteurs, quelques26 structures cristallographiquement differentes ont ete identifiees a` ce jour.Celles-ci comportent, outre les plans (CuO2) conducteurs et supraconducteurs,une architecture variable dions assurant la cohesion structurale de lensemble,basee sur un petit nombre doxydes delements tels que les alcalinoterreux (Ca,Sr, Ba), les lanthanides (Y et terres rares) ou les metaux lourds (Hg, Pb, Tl, Bi).

La decouverte de materiaux avec une temperature critique elevee dans les-quels ninterviendraient plus de metaux toxiques (Tl, Hg, Pb...) reste un defiimportant. La decouverte, en 1994 a` Caen, doxycarbonates de cuivre ne compor-tant que du baryum et du cuivre avec une temperature critique de 110 K est tre`sencourageante. En fait, de tels composes ne peuvent etre synthetises en raisonde leur metastabilite que sous forme de couches minces par depot par ablationlaser. Il apparat clairement que de nombreux supraconducteurs metastablesdevraient encore pouvoir etre synthetises a` lavenir, soit sous forme de couchesminces, soit encore a` letat massif par des methodes chimiques. Les oxycar-bonates ne sont pas les seuls materiaux potentiels. La possibilite recemmentexploree pour ces structures daccueillir dautres anions complexes tels que lesnitrates, phosphates, sulfates, renforce lidee que le phenome`ne de supracon-ductivite dans ces structures est tre`s robuste a` des modifications chimiques etstructurales importantes. La temperature critique nest pas le seul parame`tre a`prendre en compte. La densite de courant critique constitue aussi une limitationa` lutilisation de ces materiaux. Laugmentation de densite de courant critiquepar creation de defauts colonnaires par bombardement par les ions lourds, ob-servee pour la premie`re fois a` Caen de`s 1988, a largement ete reprise par lacommunaute internationale. En fait, la creation de tels defauts par des moyenschimiques (creation de defauts etendus non conducteurs dans une matrice su-praconductrice) reste un defi majeur pour le chimiste du solide.



Afin doptimiser les proprietes de ces materiaux, il est absolument necessairede mieux comprendre linfluence de la structure et de la liaison chimique (ex :role de la planeite des couches CuO2, de la liaison Cu-O apicale, de lanisotropiede la structure etc...) sur les proprietes supraconductrices et notamment sur laTemperature critique. De la meme facon, linfluence de la nature des defautsintrinse`ques et de lanisotropie structurale sur lancrage des vortex devra etreprecisee afin dameliorer la densite de courant critique.

Dans cette optique, les etudes structurales comple`tes par diffraction (RX,neutrons, electrons), et par differentes techniques spectroscopiques (RMN, Ra-man, etc....) devront etre conjuguees a` letude des proprietes physiques de cesmateriaux.

5.2 La mise en Forme

Dans cette deuxie`me etape, egalement incontournable, on cherche a` definirles conditions optimum de realisation :

de ceramiques texturees : differentes methodes, MTG, MPMG etc... sousgradient de temperature ou sous gradient de champ magnetique, actuelle-ment en, cours et supportees par la CEE, devront etre explorees et affinees.

de films minces par pulverisation cathodique, ablation laser et methodesultravide devaporation (proche de la MBE), et MOCVD. On chercheraa` determiner les conditions depitaxie ou de quasi epitaxie, sur differentssubstrats, pour la realisation de multicouches susceptibles detre utiliseesdans differents dispositifs tels que SQUID et jonctions Josephson.

lobtention de monocristaux adaptes aux mesures physiques dexigencestre`s variees (NMR, RX, transport, neutrons, anisotropie, etc...). Seul unsavoir faire tre`s specialise permet de progresser dans ces domaines : il estdonc reserve a` un petit nombre de laboratoires de chimie des solides.

5.2.1 Les autres familles supraconductrices

Finalement il ne faut pas perdre de vue, face a` la grande famille des cuprates,quil existe dautres avancees remarquables sur les materiaux supraconducteurs :

Tout dabord lemergence de la supraconductivite classique etudieeen regime mesoscopique jusqua` atteindre la mono-electronique : (Saclay,Grenoble).Un exemple de question en suspens est la variation non monotone avec latemperature de la resistance a` echelle mesoscopique dun contact normal-supraconducteur. Une autre question non resolue concerne les manifes-tations de la supraconductivite dans les grains metalliques pour lesquelslecartement entre niveaux d energie est de lordre du gap supraconduc-teur du materiau massif. Leffet Josephson dans les syste`mes a` blocage deCoulomb est un autre domaine ou` de nombreux progre`s sont attendus. Letemps de coherence quantique des circuits a` une seule paire de Cooperdevrait pouvoir etre etudie. La transition supraconducteur-isolant dansles reseaux de petites jonctions Josephson est un phenome`ne prometteurmais encore mal compris.



Les supraconducteurs organiques, decouverts a` Orsay en 1981, ontmaintenant accumule une tre`s grande litterature mais occupent toujoursune place a` part dans la comprehension generale de la supraconductivite a`basse dimensionnalite. Un proble`me tout juste aborde est de comprendreleurs liens eventuels avec les cuprates (Orsay, Toulouse).

Les phases de Chevrel (Rennes, Alcatel) Les fermions lourds certains composes presentent deux transitions su-praconductrices successives a` tre`s basse temperature. (Grenoble)

Les fullere`nes dopes (difficiles a` synthetiser et a` manipuler)



Bibliographie

[1] Philippe MONOD.MATERIAUX SUPRACONDUCTEURS.Ecole Normale Superieure.http ://www.cnrs.fr/Chimie/Programmes/Materieux/FTP/6/Materiauxsuprac.pdf.

[2] Superconductor information for the beginner.http ://superconductors.org.

[3] Histoire des Supraconducteurs.http ://www.norja.net/saviezvousque/html/histoire des supraconducteurs.html


supra conducteur s

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