Imagerie médicale par résonance magnétique, générateurs de micro-ondes de haute puissance, unités de stockage d'énergie magnétique supraconductrice, et les solénoïdes dans les réacteurs de fusion nucléaire sont des technologies très différentes qui reposent toutes sur la capacité des matériaux supraconducteurs à transporter et à stocker de grands courants électriques dans un espace compact sans surchauffer ou dissiper de grandes quantités d'énergie.

Malgré leurs propriétés extraordinaires, la plupart des matériaux supraconducteurs présentent leurs propres exigences, comme la nécessité de refroidir à la température de l'hélium liquide pour les IRM médicales. Toujours, les supraconducteurs sont si efficaces par rapport aux matériaux de tous les jours comme le cuivre que le coût de leur refroidissement avec des circuits cryogéniques spéciaux est négligeable par rapport à l'énergie économisée en étant convertie - et finalement gaspillée - sous forme de chaleur, dit Riccardo Comin, professeur adjoint de physique.

« Lorsque vous essayez de faire passer un courant important dans un circuit conventionnel comme celui en cuivre, il y aura beaucoup de dissipation en chaleur en raison de la résistance électrique finie du matériau, " dit-il. " Et c'est de l'énergie qui se perd. Parce que les supraconducteurs peuvent supporter le flux d'électrons sans dissipation, cela signifie que vous pouvez exécuter des courants très importants, connu sous le nom de supercourants, par un supraconducteur, sans que le supraconducteur ne chauffe à des températures élevées."

"Vous pouvez injecter un courant dans un supraconducteur puis le laisser couler, " dit Comin. " Alors, un supraconducteur peut agir essentiellement comme une batterie, mais au lieu de stocker de l'énergie sous forme de différence de tension, c'est ce que vous avez dans une batterie lithium-ion, vous stockez de l'énergie sous forme de supercourant. Ensuite, vous pouvez extraire et utiliser ce courant, et c'est la même chose que de tirer la charge d'une batterie."

Ce qui distingue un supraconducteur d'un conducteur conventionnel, c'est que, dans ce dernier, il faut appliquer un potentiel entre deux points différents pour faire passer un courant, mais dans le premier, vous pouvez simplement mettre en mouvement le courant puis retirer la tension, laisser le système tel quel, et il y aura un courant persistant circulant à travers le matériau.

Comin explique plus loin :« Vous avez initié une motion, ou flux, d'électrons, qui persistera à jamais, protégé de la dissipation par les lois de la mécanique quantique. C'est superflu dans le sens où le flux d'électrons ne rencontre pas de résistance, ou frottement. Même si vous supprimez la source initiale qui a créé ce flux, il continuera sans relâche comme dans un fluide électronique sans friction."

Cette super fluidité électronique est un état quantique de la matière, il se comporte donc d'une manière très exotique qui est différente de la physique classique, dit Comin. Il est déjà utilisé dans de nombreuses applications de forte puissance nécessitant des courants ou des champs magnétiques importants.

Parce que les supraconducteurs peuvent supporter des courants très importants, ils peuvent stocker beaucoup d'énergie dans un volume relativement petit. Mais même les matériaux supraconducteurs ne peuvent pas supporter des courants électriques illimités, et ils peuvent perdre leurs propriétés spéciales au-dessus d'une densité de courant critique, qui dépasse 10 méga-ampères par centimètre carré pour les câbles supraconducteurs de pointe. Par comparaison, le cuivre peut supporter une densité de courant maximale de 500 ampères par centimètre carré, qui est la même que la densité de courant passée à travers une ampoule à fil de tungstène de 100 watts.

Alors que ces courants critiques où la supraconductivité s'éteint sont connus, ce qui se passe à l'échelle nanométrique à l'intérieur du matériau à l'approche de cette condition critique est encore inconnue, pourtant, il pourrait détenir la clé pour concevoir de meilleurs câbles et dispositifs supraconducteurs, avec une résilience encore plus élevée.

Comin a été l'un des trois chercheurs du MIT à remporter une subvention du programme de recherche pour jeunes chercheurs de l'US Air Force cet automne. Les trois ans, 450 $, 000 permettra à Comin de poursuivre ses recherches sur ce qui arrive à un matériau supraconducteur particulier, l'oxyde d'yttrium baryum et cuivre (YBCO) lorsqu'il est entraîné à des courants importants.

"L'étude de la réponse électrique d'un supraconducteur lorsqu'on y conduit un courant important est essentielle pour caractériser les circuits supraconducteurs, mais il y a beaucoup d'informations microscopiques sur ce qui se passe à l'intérieur du matériau qui reste à révéler, " dit-il. " La physique nanométrique des supraconducteurs dans des conditions opérationnelles, à savoir lorsque de grands courants les traversent, c'est exactement ce que nous voulons élucider."

"C'est en quelque sorte une nouvelle direction où nous n'étudions pas seulement le matériau dans son état intact, Disons, en fonction de la température, mais sans appliquer aucune sorte de perturbation comme un courant ou un champ. Maintenant, nous nous dirigeons vers une direction où nous étudions ce qui se passe dans les matériaux lorsqu'ils sont entraînés dans des conditions de grands courants, qui sont très proches de ceux que l'on trouverait à l'intérieur d'un appareil ou d'une machine à base de ces circuits supraconducteurs, " explique Comin.

Contrairement aux alliages niobium-étain qui nécessitent un refroidissement à l'hélium liquide (environ 4 kelvins) dans les appareils d'IRM, YBCO supraconducteur à la température un peu plus élevée de l'azote liquide. Ceci est important car l'azote liquide (environ 77 kelvins, ou -320,4 degrés Fahrenheit) est à la fois plus abondant et considérablement moins cher à utiliser que l'hélium, dit Comin.

Mais il y a un autre prix à payer. Par rapport à un métal conventionnel ou conducteur comme le cuivre, qui est ductile et facile à façonner, L'YBCO est une céramique fragile qui doit être coulée en couches bidimensionnelles sur une base similaire aux cassettes d'enregistrement à l'ancienne.

"Il a une structure en couches, il forme donc des feuillets atomiques bidimensionnels faiblement couplés entre eux, et c'est très différent de ce à quoi un métal conventionnel ressemblerait, " dit Comin. Comin étudiera le matériau dans son laboratoire au MIT ainsi qu'aux laboratoires nationaux tandis qu'un courant élevé lui est appliqué autour ou même en dessous des températures de l'azote liquide.

Bien que la supraconductivité prenne le relais à la température de l'azote liquide, comme le matériau est soumis à des champs électriques de plus en plus grands, autres états électroniques, ou phases, comme une onde de densité de charge, commencer à rivaliser avec la supraconductivité avant qu'elle ne cesse.

« Quand vous commencez à affaiblir la supraconductivité, d'autres phases électroniques commencent à s'éveiller et elles rivalisent pour prendre le contrôle de la matière, " dit-il. Il envisage d'explorer comment l'équilibre se déplace entre la phase supraconductrice et ces autres phases parasites, car la supraconductivité s'affaiblit à des courants élevés.

« Est-ce que ces (autres phases) commencent à prendre le relais ou restent-elles en sommeil ? » demande Comin. "Dans un cas, les électrons veulent circuler sans dissipation, et dans l'autre cas, ils sont bloqués et ne peuvent pas se déplacer, comme une voiture dans un embouteillage."

Au lieu de pouvoir se déplacer librement comme ils le font dans un supraconducteur, sans aucune dissipation, les électrons dans une onde de densité de charge ont tendance à s'asseoir dans certaines régions et à y rester.

"Il y a des régions qui ont plus d'électrons, certaines autres régions qui ont moins d'électrons, donc si vous essayez de visualiser l'organisation spatiale de ces électrons, vous voyez qu'il se tortille comme une vague, " explique Comin. " Vous pouvez imaginer un paysage d'ondulations de sable sur une dune. Qu'est-ce qui pousse les électrons à s'organiser dans un état superfluide plutôt que de former ces statiques, Les modèles ondulatoires ne sont pas vraiment connus et c'est ce que nous espérons découvrir dans ces conditions critiques où le supraconducteur commence à céder à ces autres tendances concurrentes."

Le but ultime de cet effort de recherche est d'élucider comment un courant persistant, ou supercourant, s'écoule autour de régions non supraconductrices hébergeant des phases concurrentes, lorsque ces derniers commencent à proliférer près des conditions critiques.

"Dans ce projet, soutenu par le Bureau de la Recherche Scientifique de l'Armée de l'Air, nous espérons acquérir de nouvelles connaissances sur la physique à l'échelle nanométrique de ces dispositifs supraconducteurs, des connaissances qui pourraient être transférées sur les futures technologies supraconductrices, " dit Comin.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.