La supraconductivité à haute température

[actinium89]

En 1956, Leon Cooper a montré qu'une très faible attraction entre les électrons dans un métal peut créer un état stable de paires d'électrons dont l'énergie est inférieure à l'énergie de Fermi (correspondant à l'énergie minimale des électrons de conduction dans un métal).

Bien que l'appariement de Cooper soit un phénomène d'origine quantique, il peut également être expliqué de manière simplifiée dans le cadre de la mécanique classique.
Un électron dans un métal se comporte comme une particule libre (gaz d'électrons libres). Il est repoussé par les autres électrons en raison de sa charge négative, mais il est attiré par les ions positifs constituant le réseau cristallin rigide du métal.
Cette attraction crée des vibrations dans le réseau d'ions positifs (associées à des quanta d'énergie appelés phonons) qui déplaçent légèrement les ions vers les électrons (interactions électron-phonon), augmentant ainsi la densité locale de charge positive des ions, attirant d'autres électrons.
À longue distance, cette interaction entre électrons due aux ions déplacés peut surpasser la répulsion électronique, et leur permettre de s'apparier.

L'énergie de l'interaction d'appariement est assez faible, de l'ordre de 0.001 eV, et l'énergie thermique peut donc facilement conduire à la séparation des paires, ce qui implique que le système soit refroidi à très basse température (inférieure à -200 °C).
Les électrons d'une paire ne sont pas forcément proches spatialement; l'interaction étant à longue portée, les électrons appariés peuvent se trouver à plusieurs centaines de nanomètres (milliardièmes de mètre) l'un de l'autre.
La distance étant habituellement plus importante que la distance inter-électronique moyenne, un nombre important de paires de Cooper peuvent occuper le même espace sans violer le principe d'exclusion de Pauli.
Les électrons ayant un spin de 1/2, les paires de Cooper constituent donc des bosons composites dont le spin total possède une valeur entière : 0 (spins anti-parallèles) ou 1 (spins parallèles).
La propriéte des bosons à se condenser dans le même état quantique fondamental (condensation de Bose-Einstein) est responsable des propriétés spécifiques caractérisant la supraconductivité : champ magnétique interne et résistance électrique nuls.

La résistance électrique d'un métal peut s'expliquer par les collisions que subissent les électrons de conduction avec les ions métalliques lors de la traversée du conducteur sous l'action d'une différence de potentiel.
Plus le réseau cristallin est régulier, moins il oppose de résistance au passage d'un courant électrique.
La résistance électrique augmente donc avec la température qui provoque des vibrations aléatoires du réseau cristallin (augmentant le risque de collision d'un électron avec un ion) et dépend de la présence d'impuretés dans le métal.

Pour obtenir de la supraconductivité à haute température, il faudrait donc augmenter l'énergie d'interaction des paires d'électrons pour augmenter leur stabilité avec la température.

L'énergie d'appariement étant liée à l'attraction de l'électron avec la densité de charge des ions du réseau cristallin, si on augmente l'amplitude des oscillations de charge des ions, on renforce l'attraction des paires d'électrons (en augmentant la densité locale de charge positive des ions).

Une solution pourrait être d'utiliser un courant électrique continu pulsé dans un matériau magnétostrictif à la résonance, ce qui permettrait d'obtenir des oscillations de charge synchronisées (interragissant faiblement avec les paires d'électrons et donc avec une moindre résistance électrique) de grande amplitude capables de produire un effet d'attraction maximum des paires d'électrons (qui se déplaceraient de manière cohérente) avec le réseau cristallin.

Le problème est que dans le même temps, l'effet magnétostrictif augmente la dissipation thermique.

Pour résoudre le problème, il faudrait que le système soit capable d'absorber l'excès de chaleur produite en réduisant son énergie globale et son entropie.

On peut aussi imaginer l'existence d'autres mécanismes de supraconduction faisant, par exemple, intervenir des interactions spin-phonon pour réduire la répulsion électronique.

[izentrop]

Bonjour,
Hautes température, c'est - 165 ° et ça piétine http://www.supraconductivite.fr/fr/inde ... -materiaux

Je ne pense pas qu'on arrive un jour à la supraconductivité à température ambiante, car on n'a jamais eu rien sans rien.

C'est faramineux l'énergie qu'il faut consommer pour faire fonctionner le LHC par exemple https://home.cern/fr/about/engineering/ ... erformance

[actinium89]

Effectivement, à moins de la découverte de matériaux nouveaux dotés de propriétés révolutionnaires, il est à craindre que le chemin à parcourir pour atteindre la supraconductivité à température ambiance soit encore très long.

Le CERN, avec un aimant gigantesque générant un champ magnétique de plus de 16 teslas, destiné à équiper ses futurs accélérateurs, détient le record de puissance des aimants supraconducteurs dipole (cf. https://home.cern/fr/about/updates/2015/11/test-racetrack-dipole-magnet-produces-record-16-tesla-field)

La supraconduction à température ambiante permettrait de stocker de plus grandes quantités d'électricité dans des anneaux supraconducteurs légers ayant un faible encombrement et ainsi remplacer les lourdes batteries à faible autonomie qui équipent les véhicules électriques actuels. Mais un problème demeurerait : celui du rechargement des batteries. On voit mal comment le réseau électrique actuel pourrait faire face à des pics de consommation quand, entre 18h et 20h, les gens qui rentrent du travail, brancheraient tous leur véhicule électrique sur leur borne de rechargement personnelle.
Faudrait-il construire de nouvelles centrales nucléaires, augmenter considérablement la capacité des parcs éolien et photo-voltaïque ?
La démocratisation des véhicules électriques, prônée par beaucoup pour résoudre les problèmes de pollution atmosphérique, ne risque-t-elle pas de poser des problèmes pour la transition énergétique ?

[izentrop]

On voit mal comment le réseau électrique actuel pourrait faire face à des pics de consommation quand, entre 18h et 20h, les gens qui rentrent du travail, brancheraient tous leur véhicule électrique sur leur borne de rechargement personnelle.

Ce n'est plus le même sujet.

Ce n'est pas insurmontable ... Si en même temps le photovoltaique monte en puissance, il faudra des tarifs incitatifs adaptés et des bornes de rechargement à proximité des lieux de travail.