Les principes physiques et les possibilités d'utilisation de la supraconductivité (y compris ceux déjà mis en œuvre) sont décrits en abondance dans la littérature et sur Internet, nous nous limiterons donc ici à une brève excursion dans l'essence de ce phénomène et les possibilités de son application, puis passons aux plus intéressantes: quelles découvertes (percées) en les régions supraconductrices ont été achevées littéralement l'année dernière.
La supraconductivité détaillée et populaire est décrite dans le livre de Vitaly Ginzburg et Evgeny Andryushin, publié sur le site "Elements". Une présentation plus populaire des aspects historiques et pratiques de la supraconductivité est dans un matériel très intéressant sur Habré dans le blog Toshiba. Un article du 29 juillet 2019, ses indicateurs:
Ainsi, la plupart des substances peuvent être attribuées à des conducteurs ou à des diélectriques. Le courant électrique est une séquence d'électrons qui pénètrent à grande vitesse à travers un matériau (principalement des solides ou des liquides conducteurs) d'une source à un récepteur. Toute substance a un indice de résistance. La résistance est due au mouvement des atomes dans une substance, et ces atomes capturent une partie des électrons du flux, car ils vibrent tout le temps, s'écartant de la position de base. Plus la température est élevée, plus ce phénomène est prononcé. Mais quand un état supraconducteur est atteint, tout mouvement d'atomes dans une substance s'arrête et les électrons y pénètrent sans entrave. Evidemment, un tel état doit se produire à des températures très basses, et c'est pourquoi Kamerling-Oness l'a découvert pour le mercure, le plomb et l'étain à des températuresproche du zéro absolu, qui est de 0 K ou -273,16 ° C Un courant électrique arbitrairement faible peut persister indéfiniment dans une substance supraconductrice. Déjà en 1933 (Kamerling-Oness est mort en 1926), Walter Meissner et Robert Ochsenfeld ont découvert une propriété tout aussi frappante accompagnant la supraconductivité: il s'est avéré que la substance supraconductrice repousse complètement son propre champ magnétique. Et cela ouvre la voie à des choses aussi futuristes (alors) que l'imagerie par résonance magnétique etque la substance supraconductrice repousse complètement son propre champ magnétique. Et cela ouvre la voie à des choses aussi futuristes (alors) que l'imagerie par résonance magnétique etque la substance supraconductrice repousse complètement son propre champ magnétique. Et cela ouvre la voie à des choses aussi futuristes (alors) que l'imagerie par résonance magnétique et la lévitation magnétique , ainsi que la création de réacteurs thermonucléaires .
Nous notons ici que Kamerling-Oness a expérimenté les métaux lourds et a également découvert le premier alliage qui entre dans un état de supraconductivité et se compose de mercure, d'or et de plomb. En conséquence, la recherche de substances qui acquièrent des propriétés supraconductrices à la température la plus élevée possible est devenue la tâche principale sur la voie de l'application pratique de la supraconductivité.
Métal, température de transition supraconductrice et année de découverte. Source d' illustration
Ainsi, la recherche scientifique dans le domaine des supraconducteurs à haute température est progressivement passée des métaux lourds aux métaux de transition, aux alliages, aux composés intermétalliques et aux non-métaux. Les composés du cuivre (cuprates) et les composés avec la participation de métaux de terres rares et rares (samarium, yttrium) se sont révélés particulièrement prometteurs.
Source (octobre 2019)
Comme il ressort clairement de ce graphique, horizontalement est l'année de la découverte des propriétés supraconductrices dans la substance, et verticalement - la température de la transition vers l'état supraconducteur. Les métaux, les composés métalliques avec des semi-métaux et des non-métaux sont marqués en bleu. Dans cette catégorie, il convient de prêter attention au niobium (Nb), dont les composés ont permis pour la première fois d'élever le seuil de supraconductivité à la région de 20 K.Les cuprates sont indiqués en rouge, dont le plus célèbre est peut-être YBaCuO (yttrium, baryum, cuivre, oxygène) - le premier composé , acquérant des propriétés supraconductrices au-dessus du point d'ébullition de l'azote liquide.
Les composés de lanthanides (lanthane La et samarium Sm) avec du fer (Fe) et des éléments du groupe azote (P, As) sont représentés en vert - ce qui est également logique, étant donné que la supraconductivité du nitrure de niobium a été étudiée en 1940.
YBaCuO est si important dans le contexte de cet article qu'une image de sa structure cristalline, plus une description détaillée de cette structure, sera maintenant donnée.
La structure cristalline de YBa 2 Cu 3 O 7 −δ pour (A) δ = 0 (YBa 2 Cu 3 O 7 ), dans laquelle toutes les positions de l'oxygène dans les plans basaux le long de l'axe b sont occupées, et pour (B) δ = 1 (YBa 2 Cu 3 O 6) lorsque tous ces postes ne sont pas occupés. Un degré intermédiaire de remplissage d'oxygène est atteint lorsqu'un tel échantillon est trempé dans une atmosphère d'oxygène. La structure cristalline est quadrangulaire pour δ ≥ 0,6 et orthorhombique pour δ <0,6.
La structure cristalline de la structure YBCO est une pérovskite à variation compliquée représentée sur la figure 4. Comme il ressort de la figure, la cellule unitaire est composée du cube YBCO YCuO 3 aux cubes supérieurs et inférieurs adjacents BaCuO 3, mais certaines des positions d'oxygène restent vides. Les positions d'oxygène situées dans le même plan horizontal que l'atome d'yttrium ne sont jamais remplies, ce qui fait que les atomes d'oxygène existants sont légèrement décalés vers l'atome d'yttrium. La phase orthorhombique de YBa 2 Cu 3 O 7-δ a les paramètres de réseau suivants: a = 0,382 nm, b = 0,388 nm et c = 1,168 nm, lorsque la valeur δ est très petite. La teneur en oxygène de YBCO détermine sa structure cristalline et la fréquence des trous dans les plans CuO2. À δ = 1, le composé (YBa 2 Cu 3 O 6) . δ = 0,4 , Y-Ba-Cu-O . Tc 92 K δ ≈ 0,06, , , . , δ < 0,06 Tc , , CuO2 .La formation de la phase quadrangulaire est observée à des températures comprises entre 700 et 900 ° C, et la phase orthorhombique se forme lorsque la phase quadrangulaire est lentement refroidie dans une atmosphère d'oxygène à une température d'environ 550 ° C. Au cours de la transition de la phase quadrangulaire à la phase orthorhombique, de nombreux domaines jumeaux différents se forment, car la contrainte est supprimée de la substance. Dans la phase quadrangulaire, les atomes d'oxygène occupent au hasard environ la moitié des places qui leur sont attribuées dans les plans basaux, au cours desquelles ils s'alignent dans la direction b en chaînes Cu-O apparaissant dans la phase orthorhombique. De ce fait, dans la phase orthorhombique, les positions des atomes d'oxygène sont libérées dans le sens a, ce qui conduit ensuite à une légère compression de la maille élémentaire de telle sorte que a <b. La contribution à la supraconductivité se fait sous forme de plans CuO 2 et les chaînes CuO présentes dans la phase orthorhombique.
La partie la plus importante du passage précédent est en gras. En effet, la supraconductivité et la répulsion du champ magnétique sont associées non seulement et pas tant à la température du matériau qu'à la structure atomique de son réseau. YBCO peut être aussi bien qu'un supraconducteur et un isolant; ses propriétés dépendent de la position des atomes d'oxygène dans le réseau cristallin.
Des phénomènes similaires permettent d'atteindre la supraconductivité dans des couches plates de graphène situées au plus près les unes des autres. Lorsque vous faites pivoter une couche de graphène par rapport à une autre par le soi-disant " angle magique"(Environ 1,1 degrés) la supraconductivité apparaît; cependant, à des températures très basses, de l'ordre de -269 ° C Plus de détails sur les propriétés supraconductrices du graphène sont décrits dans le matériau " Superconductor from flat graphene. Etude de zones plates "sur Habré.
Ainsi, une manière prometteuse de rechercher des substances supraconductrices conduit à des études de composés exotiques de métaux avec des non-métaux. Dès que nous en sommes convaincus, les hydrures métalliques passent dans un état supraconducteur à des températures encore plus élevées que les nitrures. Dans le même temps, on note qu'il est possible d'élever la température d'une telle transition non seulement par une sélection ingénieuse de connexions, mais aussi en augmentant la pression.
Jusqu'en 2015 environ, les cuprates dominaient sans aucun doute le leadership des supraconducteurs de plus en plus à haute température, et HgBa 2 CuO 4 + δ , (mercure-baryum-cuivre-oxygène) synthétisé en 1993, était le détenteur du record absolu, passant dans un état supraconducteur à une température de 164 K ou - 109 ° C Mais en 2015, on a découvert qu'à une température de 203 K (seulement -70 ° C), le sulfure d'hydrogène H 2 S passe dans un état supraconducteur ; cependant, une telle transition nécessite une pression de 1,5 million d'atmosphères, ce qui exclut pratiquement la possibilité d'utiliser du sulfure d'hydrogène comme supraconducteur. Néanmoins, cette découverte a donné lieu à la recherche de la supraconductivité dans les hydrures.
En mai 2019, la supraconductivité de l'hydrure de lanthane (LaH 10 ) a été confirmée à une température de -23 ° C - à cette température et pression d'environ 2 millions d'atmosphères, l'hydrure de lanthane s'est débarrassé de son champ magnétique. En novembre 2019, l' hydrure de thorium ThH 10 a été obtenu , dans lequel la supraconductivité se produit à une température de –112 ° C et 1,7 million d'atmosphères. Les spécialistes de Skoltech Artem Oganov et Ivan Troyan jouent un rôle clé dans cette réalisation.
Enfin, en octobre 2020, l'Université de Rochester a réussi à atteindre la supraconductivité dans l'hydrure de soufre carboné à une pression d'environ 2,6 millions d'atmosphères et à des températures proches de la température ambiante: 15 degrés Celsius.
Ainsi, il y a deux façons dont la science approche la supraconductivité à haute température relativement bon marché et faisable: Nous
expérimentons avec des cuprates à pression atmosphérique, obtenant progressivement une augmentation de Tc à une congélation modérée, jusqu'à environ 200 K (-73 ° C).
Nous expérimentons des hydrures, qui ont déjà permis d'obtenir une supraconductivité à température ambiante et essayons de réduire la pression de millions d'atmosphères à une pression acceptable.
Bien entendu, il est nécessaire de mentionner la troisième voie, à savoir l'utilisation de composés du bore. Dans le coin droit du tableau chronologique ci-dessus se trouve le diborure de magnésium MgB 2 .
Il est obtenu par frittage de substances simples (bore et magnésium) et est déjà utilisé dans la construction de tomographes en remplacement des alliages niobium-titane. La température critique de cette substance est de -39 K, c'est-à-dire beaucoup plus élevée que celle des composés supraconducteurs de niobium. Les expériences avec les supraconducteurs à base de bore se poursuivent (encore une fois, nous ferons une réserve que cette classe de substances atteint la supraconductivité à la pression atmosphérique normale), et l'un des matériaux contenant du bore les plus prometteurs est BSiC 2 , dont un article a été publié.en mars 2020. Selon les calculs théoriques, il devrait atteindre T c à une température d'environ 73,6 K, et son composé associé BC 3 plus stable , à des températures de l'ordre de 40 K.
Il y a des hypothèses prudentes, selon lequel l'hydrogène métallique pur peut être un supraconducteur idéal fonctionnant à température ambiante. De plus, selon le schéma donné dans l'article "Hydrures supraconducteurs sous pression" publié le 26 septembre 2019, l'hydrogène métallique solide pourrait conserver des propriétés supraconductrices jusqu'à des températures supérieures à 750 K, soit jusqu'à près de 500 degrés Celsius. D'un autre côté, cela nécessiterait une pression colossale - plus de 400 GPa.
Une approche, permettant vraisemblablement de réduire la pression pour obtenir la supraconductivité avec la participation de l'hydrogène - d'expérimenter avec des composés d'hydrocarbures, qui seront saturés au maximum en atomes d'hydrogène, et le carbone fournira de fortes liaisons électroniques, permettant potentiellement au matériau de rester intact même lorsque la pression est relâchée. Néanmoins, les expériences avec des composés comprenant le carbone, l'hydrogène et le soufre ne donnent pas encore le résultat escompté, probablement parce que des effets de mécanique quantique entre atomes, qui n'ont pas encore été pris en compte, entrent en jeu.
À ce stade, l'examen aurait pu se terminer par un timide «eh bien, prenons de l'hydrogène métallique - puis nous en parlerons», mais nous terminerons différemment.
Artem Oganov et Ivan Troyan, qui ont été mentionnés ci-dessus en relation avec leur découverte de la supraconductivité de l'hydrure de thorium, ainsi que l'étudiant diplômé Dmitry Semyonok de Skoltech et Alexander Kvashnin du MIPT ont développé l'algorithme évolutif USPEX. Cet algorithme permet de prédire l'atteinte de la température T c dans une structure cristalline particulière, en fonction de la position de ses éléments constitutifs dans le tableau périodique. Un aperçu détaillé de l'algorithme USPEX est fourni ici . À l'heure actuelle, il est prévu de former un réseau neuronal à reconnaître ces dépendances et à rechercher des connexions qui permettront d'amener la pression fournissant la supraconductivité à haute température à des valeurs acceptables.
Il reste à espérer que le succès de cette équipe est très proche.