supraconducteur

Matériau qui présente le phénomène de supraconduction.

Propriétés

Les supraconducteurs de type I excluent tout champ magnétique et possèdent un faible champ magnétique critique au-delà duquel ils reviennent à l'état normal. Au contraire, ceux de type II laissent un champ magnétique extérieur les pénétrer partiellement sous forme de petits tubes de flux magnétique, les vortex. La densité de courant maximale admissible (ou courant critique) dépend étroitement du comportement magnétique du matériau puisqu'il est soumis au champ créé par le courant qu'il transporte. En pratique, ce sont les supraconducteurs de type II, plus souples, qui possèdent les meilleures caractéristiques, c'est-à-dire les valeurs les plus élevées de température de champ et de courant critiques, ce qui leur ouvre le vaste domaine de la production de champs magnétiques intenses.

Matériaux supraconducteurs

Les plus couramment utilisés sont, d'une part, des alliages ductiles comme l'alliage niobium-zirconium (NbZr) et surtout niobium-titane (NbTi), d'autre part, des composés intermétalliques tels que niobium-étain (Nb₃Sn), qui ont de meilleures caractéristiques supraconductrices mais présentent l'inconvénient d'être cassants.

Les premiers matériaux supraconducteurs à haute température critique (35 K), des oxydes de cuivre et de terres rares (céramiques), n'ont été découverts qu'en 1986. Les auteurs de cette découverte, révolutionnaire pour la supraconductivité, J. G. Bednorz et K. A. Müller, ont reçu dès 1987 le prix Nobel de physique. En quelques mois, plusieurs équipes découvrent de nombreux composés analogues, de température critique souvent plus élevée encore. En 1993, deux équipes françaises élaborent des matériaux présentant certains des critères de supraconductivité à des températures proches des températures ambiantes ; l'une, à l'École supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (E.S.P.C.I.), obtient une température critique (résistance nulle) de − 23 °C ; l'autre, au C.N.R.S. à Grenoble, observe du diamagnétisme à des températures variant de − 63 °C à + 7 °C.

Ces composés complexes forment une classe originale : ce sont des oxydes, assez mauvais conducteurs à température ambiante. Leur structure cristalline est de type lamellaire et leurs propriétés physiques sont fortement anisotropes. Par ailleurs, le mécanisme conduisant à la supraconductivité dans ces céramiques est toujours débattu.

Plus récemment, ont été mises en évidence les propriétés supraconductrices à haute température critique (117 K) des fullerènes de formule C₆₀ (sous champ électrique). On a aussi découvert que le diborure de magnésium MgB₂ devient supraconducteur à 39 K. Ce matériau présente l'avantage de pouvoir laisser passer de forts courants électriques ; par ailleurs, sa chimie et sa mise en forme sont nettement plus faciles à maîtriser que celles des céramiques supraconductrices.

Applications

Les supraconducteurs à champ élevé sont principalement utilisés en physique des hautes énergies, notamment pour les accélérateurs de particules, les anneaux de stockage, le confinement magnétique des plasmas pour la fusion nucléaire (installations du type tokamak). En électrotechnique, divers prototypes ont été étudiés pour le transport et la production d'énergie électrique : lignes, transformateurs, moteurs et générateurs. Des filtres micro-ondes à supraconducteurs sont utilisés dans les réseaux de télécommunications mobiles et les radars. Comme on obtient aisément, de façon industrielle, une température de 77 K grâce à l'azote liquide, l'obstacle des basses températures, soumis à l'utilisation de l'hélium liquide, a disparu pour les applications à grande échelle de la supraconductivité. Cependant, la recherche et le développement nécessaires sont en cours et les domaines qui déboucheront sur des applications sont difficiles à déterminer. On cite l'obtention de champs magnétiques intenses (de plusieurs centaines de teslas) utilisables dans les transports, par exemple avec les projets de trains à sustentation magnétique. Des connexions sans pertes dans les ordinateurs sont aussi envisagées. Ces applications supposent d'abord que ces composés, obtenus sous forme de grains, puissent être transformés en fils ou déposés en couche mince, technique qui n'en est encore qu'à ses débuts.