John H. Miller, Jr., professeur de physique à l’Université de Houston, discute des progrès réalisés dans le domaine des supraconducteurs à haute température et de leurs applications
Le laboratoire de H. Kamerlingh Onnes, le premier groupe à liquéfier l’hélium, a découvert la supraconductivité en 1911. Plusieurs métaux subissaient une transition de phase vers un nouvel état caractérisé par la perte de résistance en dessous d’une température critique, ou Tc. L’effet Meissner, l’expulsion du flux magnétique, a été découvert en 1933. En 1957, John Bardeen, Leon Cooper et J. Robert Schrieffer ont publié une théorie microscopique, maintenant connue sous le nom de théorie BCS (1), basée sur l’appariement d’électrons médiés par par les phonons.
La même année, Abrikosov a développé une meilleure compréhension des propriétés magnétiques des supraconducteurs, en distinguant les supraconducteurs de type I (doux) et de type II (durs). Il a notamment proposé la formation de vortex de flux dans un supraconducteur de type II exposé à un champ magnétique. Cela empêche un champ magnétique de conduire l’ensemble du supraconducteur de type II dans l’état normal, ce qui lui permet d’avoir un champ magnétique critique supérieur beaucoup plus élevé – important pour des applications telles que l’imagerie par résonance magnétique (IRM), les accélérateurs de particules et les réacteurs de fusion tokamak.
Les températures critiques maximales des supraconducteurs élémentaires, des composés intermétalliques et des alliages se sont améliorées lentement jusqu’en 1972-73, lorsqu’un plateau a été atteint à 23 K. Une percée a eu lieu en 1986 lorsque J. Georg Bednorz et K. Alex Müller ont découvert la supraconductivité avec un Tc, (début) de 35 K dans l’oxyde de cuivre La2−xBaxCuO4. (2) Après cette découverte initiale, plusieurs groupes ont exploré les cuprates apparentés en faisant varier la stœchiométrie.
Une découverte passionnante a eu lieu en 1987 dans le cadre d’un effort de collaboration entre des groupes de l’Université de Houston (UH) et de l’Université d’Alabama – Huntsville. (3) Ils ont observé une supraconductivité avec un Tc, (début) de 93 K dans une céramique Y-Ba-Cu-O en phase mixte. La phase supraconductrice spécifique à haute Tc (HTS) (« phase noire ») a été identifiée comme étant YBa2Cu3O7 (YBCO ou Y-123). On s’est vite rendu compte que des Tc d’environ 90 K pouvaient être atteintes dans de nombreux composés « 123 » de la forme RBa2Cu3O7 (REBCO ou R-123), où R est une terre rare. La Tc a été avancée plusieurs fois, jusqu’à 134 K dans le cuprate à base de mercure HgBa2Ca2Cu3Ox (Hg-1223). (4) D’autres familles de HTS, notamment des supraconducteurs à base de fer, des hydrures et des nickelates, ont été découvertes, mais les cuprates restent les plus prometteuses pour les applications.
Les efforts ont également porté sur le développement de films minces, de fils, de rubans et de matériaux en vrac de haute qualité adaptés aux applications. Un autre paramètre clé, outre le Tc, est la densité de courant critique, ou Jc. Les cuprates ont la caractéristique indésirable (ou souhaitable, selon l’application) que la densité de courant critique est réduite à travers une limite de grain avec un angle de désorientation important. En conséquence, les Jc des céramiques cuprates sont assez faibles.
Au cours des dernières décennies, des progrès ont été réalisés dans l’amélioration de la qualité de ces matériaux. Des films minces REBCO épitaxiaux de haute qualité, avec des Jc allant jusqu’à 5 × 106 A/cm2, peuvent être cultivés sur des substrats monocristallins. Cependant, un défi fondamental réside dans l’impossibilité de produire des bandes monocristallines flexibles d’une longueur d’un kilomètre. Les densités de courant critiques des films HTS déposés directement sur des rubans métalliques flexibles sont polycristallins et ont donc des densités de courant critiques beaucoup trop faibles pour les applications.
Une avancée majeure – le dépôt assisté par faisceau d’ions (IBAD) – a été développée en 1995 par un groupe du Laboratoire national de Los Alamos. En appliquant simultanément un faisceau d’ions lorsqu’un film est déposé sur un substrat polycristallin via, par exemple, une pulvérisation magnétron, les grains du film s’alignent avec de petits angles de désorientation, devenant ainsi un film presque monocristallin. IBAD peut être utilisé pour déposer une fine couche tampon d’oxyde de magnésium de 10 nm d’épaisseur. Les rubans HTS REBCO sont souvent constitués d’un ruban flexible en alliage de Ni (par exemple, Hastelloy), d’un empilement de couches tampons, y compris le mince film MgO IBAD, d’un film REBCO beaucoup plus épais, d’une surcouche d’argent et de couches stabilisantes en cuivre des deux côtés.
Les courants critiques et les longueurs maximales des bandes REBCO HTS se sont considérablement améliorés grâce à un contrôle amélioré des processus. Cela inclut l’introduction de « centres d’épinglage » pour empêcher le mouvement dissipatif des vortex de flux, qui peuvent se nucléer par des mécanismes quantiques. (5) Une grande partie de ces travaux ont été réalisés au Texas Center for Superconductivity de l’Université de Houston (TcSUH) et à l’Advanced Manufacturing Institute (AMI) de l’UH, dirigé par Venkat Selvamanickam. Des bandes REBCO à l’échelle kilométrique, avec des courants critiques élevés et capables de supporter des champs magnétiques élevés, peuvent désormais être fabriquées. Ils ont été utilisés pour fabriquer des câbles de transport d’énergie, notamment lors de démonstrations de réseaux électriques en direct. Un avantage potentiel est la possibilité de moderniser les conduits existants avec des câbles plus petits et de plus grande capacité de courant dans un environnement urbain dense.
L’une des applications les plus récentes et passionnantes des bandes REBCO HTS s’appuie sur leurs champs magnétiques critiques supérieurs extrêmement élevés. En utilisant des aimants à champ élevé enroulés avec des bandes HTS, on peut potentiellement construire un réacteur de fusion tokamak beaucoup plus compact qu’il ne serait possible avec des aimants supraconducteurs conventionnels. Commonwealth Fusion Systems, dans la région de Boston, a démontré avec succès un aimant HTS de 20 T. Son objectif est d’atteindre le seuil de rentabilité en matière d’énergie de fusion avec son réacteur à fusion SPARC actuellement en construction. Par la suite, l’entreprise envisage de construire un réacteur à fusion ARC commercialement viable. Tokamak Energy, située dans l’Oxfordshire, au Royaume-Uni, est une société qui vise à utiliser des aimants HTS à champ élevé pour construire des réacteurs à fusion tokamak sphériques commercialement viables. Il prévoit de développer des réacteurs à fusion de 500 MW qui pourraient être déployés à partir des années 2030.
Références
- J. Bardeen, LN Cooper et JR Schrieffer, Théorie de la supraconductivité, Phys. Rév.108, 1175 (1957).
- JG Bednorz et KA Müller, Supraconductivité possible à haute température dans le système Ba−La−Cu−O, Zeitschrift für Physik B Condensed Matter 64, 189 (1986).
- MK Wu, JR Ashburn, CJ Torng, PH Hor, RL Meng, L. Gao, ZJ Huang, YQ Wang et CW Chu, Supraconductivité à 93 K dans un nouveau système composé Y-Ba-Cu-O en phase mixte à température ambiante pression, Phys. Le révérend Lett. 58, 908 (1987).
- A. Schilling, M. Cantoni, JD Guo et HR Ott, Supraconductivité supérieure à 130 K dans le système Hg – Ba – Ca – Cu – O, Nature 363, 56 (1993).
- John H. Miller, Jr. et Martha YS Villagrán, Tunneling vortex corrélé au temps dans les supraconducteurs en couches, Condens. Affaire 2, 21 (2017).