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Opinion d'expert: supraconductivité à haute température

En prévision du grand reportage sur le laboratoire «Métamatériaux supraconducteurs» , que nous préparons en fonction des résultats du vote général , nous continuons de parler de supraconductivité.
Il y a une semaine, nous avons publié un article d' Alexei Basharin sur «l'anapole» non rayonnant , après quoi une véritable discussion scientifique a commencé avec la participation de l' auteur de l' article. L'article a recueilli plus d'une centaine de commentaires, de nombreuses propositions ont été reçues concernant le format du matériel présenté dans la publication. Nous avons pris en compte tous les souhaits et avons demandé au principal scientifique K. B. Efetova écrit pour nous un avis d'expert dans le format scientifique populaire sur la supraconductivité à haute température, pour la découverte de la supraconductivité à haute température des cuprates, le prix Nobel a été décerné il y a une trentaine d'années.

Konstantin Borisovich Efetov est le directeur scientifique du projet «Phénomènes collectifs dans la matière quantique» NUST «MISiS» dans le cadre d'une subvention destinée à soutenir la recherche scientifique du programme TOP 5-100. K.B. Efetov est un critique exceptionnel de l'American Physical Society, directeur de l' Institut de physique théorique de la troisième université de la Ruhr de Bochum en Allemagne, membre honoraire de l' American Physical Society , chercheur de premier plan de trois projets financés par le ministère allemand de la recherche scientifique, auteur de plus de 170 publications, lauréat du prix Blaise Pascal françaiscréé par le gouvernement français et le Landau-Weizman Research Award, créé par l'Institut Weizmann en Israël. Konstantin Efetov est «un critique exceptionnel de l'American Physical Society». Ce prix est décerné pour sa contribution notable à des articles évalués par des pairs dans des revues telles que Physical Review Letters, Physical Review, Reviews of Modern Physics et autres.


Un aimant lévitant sur un supraconducteur à haute température refroidi par de l'azote liquide
Konstantin Borisovich Efetov
Directeur scientifique du projet «Phénomènes collectifs dans la matière quantique» NUST «MISiS»
La supraconductivité est l'un des plus beaux phénomènes de la physique quantique. Il a été découvert par le physicien néerlandais Kamerlingh-Onnes en 1911, qui a appris à refroidir des matériaux à l'aide d'hélium liquéfié à une température de 1,5 K (-271,5 C). En étudiant les propriétés électriques des métaux réfrigérés, Kammerling-Onnes a découvert que la résistance du mercure solide immergé dans l'hélium liquide s'évanouit, et ainsi la conductivité devient infinie. Cette propriété a été appelée supraconductivité et Kammerling-Onnes a reçu le prix Nobel en 1913.

La supraconductivité a été découverte plus tard dans de nombreux métaux, mais la théorie microscopique de ce phénomène mystérieux n'a été construite qu'en 1957 par les physiciens américains Bardin, Cooper et Schriffer (Bardeen, Cooper, Schrieffer), qui ont reçu le prix Nobel pour ce travail en 1972.

Il convient de mentionner que la théorie phénoménologique correcte de la supraconductivité a été proposée par les physiciens soviétiques Ginzburg et Landau en 1950. Des phénomènes intéressants dans les supraconducteurs ont été prédits en utilisant la théorie de Ginzburg-Landau par Alexei Abrikosov, tous les trois sont également lauréats du prix Nobel. Il est important de noter que pendant de nombreuses années Abrikosov a été chef du Département de physique théorique au MISiS. Aujourd'hui, ce département s'appelle le «Département de physique théorique et des technologies quantiques», où je travaille dans le cadre du projet «Top5-100».

Le fait qu'il ait fallu 46 ans pour expliquer la supraconductivité n'est pas un hasard. Ce phénomène a été découvert avant même la création de la mécanique quantique et ne pouvait être expliqué en aucune façon sur la base de la mécanique newtonienne classique et de l'électrodynamique Maxwell classique. La théorie de la supraconductivité est basée sur le concept de condensation de Bose-Einstein. Selon ce concept, les particules à spin quantique entier (bosons) doivent former un état dans lequel toutes les particules sont cohérentes (condensées) ou, en d'autres termes, elles se sentent dans tout le volume du système. Le mouvement de ce condensat dans son ensemble conduit au fait qu'il n'est pas inhibé par diverses impuretés ou inhomogénéités dans le métal, conduisant à une résistance nulle.

Il semblerait que ce soit l'explication de la supraconductivité? Mais ce n'est pas le cas.


Le courant électrique dans les métaux provient du mouvement des électrons, et ce sont des particules élémentaires avec un spin d'une seconde. Mais les particules avec un spin demi-entier (fermions) ne forment pas de condensat, et il n'y a pas d'autres particules en mouvement dans les métaux. Comment obtenir le condensat? Il s'avère que deux électrons avec des spins opposés peuvent former des paires qui ont un spin total nul, et ces paires sont déjà des bosons et peuvent former un condensat de Bose. De telles paires d'électrons sont appelées paires de Cooper (Cooper, l'un des fondateurs de la théorie de la supraconductivité, les a inventées), et leur condensation conduit au phénomène de supraconductivité. Mais ce n'est pas tout. Il est facile d'imaginer que pour l'appariement des électrons, leur attraction les uns aux autres est nécessaire. Mais il est bien connu de l'électrodynamique classique que deux particules également chargées se repoussent,pas attiré.

Il y avait un moyen de sortir de cette contradiction. Il s'avère que l'attraction entre les électrons peut se produire par l'échange de phonons - vibrations quantiques du réseau d'atomes métalliques, et ce fait a déjà permis d'achever la construction de la théorie de la supraconductivité. Il est maintenant facile de comprendre pourquoi 46 ans se sont écoulés entre la découverte du phénomène de supraconductivité et son explication. Chaque étape de la construction d'une théorie était révolutionnaire et il y avait de nombreuses étapes. Et tout cela a été fait pour expliquer le phénomène, qui peut être observé dans un petit laboratoire, cela ne nécessite pas d'accélérateurs puissants ni de vols dans l'espace.

Imaginez maintenant qu'il serait possible de fabriquer un fil de matériau supraconducteur. Dans ce cas, l'énergie ne serait pas perdue lors de la transmission à n'importe quelle distance, et pourquoi ne pas l'essayer?


Malheureusement, il y a un «mais» dans cette affaire: comme nous l'avons déjà mentionné, la supraconductivité apparaît à très basse température, un tel fil supraconducteur devrait être refroidi à l'hélium liquide. Dans le même temps, le refroidissement de l'hélium lui-même nécessite des coûts d'énergie (et, par conséquent, d'argent) très élevés, et l'utilisation de fils supraconducteurs serait beaucoup plus coûteuse que le coût des pertes d'énergie. Il est facile de comprendre que des efforts considérables ont été consacrés à l'étude approfondie des propriétés des supraconducteurs pour étudier la possibilité d'obtenir la supraconductivité à des températures plus élevées. Idéalement, bien sûr, je souhaiterais obtenir une supraconductivité à une température "ambiante" de 300 K (27 C). Mais les supraconducteurs avec une température de transition supérieure au point de liquéfaction de l'azote (77 K) seraient très utiles,car la production d'azote liquide est beaucoup moins chère que la production d'hélium liquide.

Cependant, de nombreuses tentatives pour obtenir des supraconducteurs avec une température aussi élevée n'ont abouti qu'au milieu des années 80. De plus, des estimations théoriques ont été données pour des modèles basés sur le mécanisme électron-phonon du couplage d'électrons, des températures de transition ne dépassant pas 25 K, ce qui n'était pas suffisant pour des applications industrielles.

, 1986 , , 1987 . , , . «». . -, , .

Aujourd'hui, les températures des transitions supraconductrices chez les cuprates atteignent 140 K (-137 C) . Il est encore bien en dessous de la température ambiante, mais déjà bien au-dessus du point d'ébullition de l'azote. Cette dernière circonstance a déjà conduit à des applications pratiques des supraconducteurs à haute température. Il existe déjà des entreprises qui produisent des fils recouverts de métaux conventionnels avec un "remplissage cuprate".

Néanmoins, la question de la création de supraconducteurs à température ambiante n'a pas été résolue jusqu'à présent. Une simple énumération de divers composés chimiques ne semble pas être un moyen prometteur d'obtenir la supraconductivité à température ambiante, car le nombre de composés possibles est énorme. Il serait beaucoup plus raisonnable de comprendre d'abord pourquoi la température de transition dans les cuprates est tellement plus élevée que les températures correspondantes dans les métaux «ordinaires».

L'échange de phonons est-il la principale raison de l'appariement des électrons dans les cuprates, comme c'est le cas dans les métaux ordinaires?


Pour répondre à cette question, un grand nombre de théoriciens et expérimentateurs ont entrepris d'étudier le mécanisme de formation de la supraconductivité chez les cuprates. Aujourd'hui, la plupart des scientifiques pensent que le mécanisme phonon de l'appariement d'électrons est peu probable. Le nombre de propositions avancées à ce jour est important et toutes sont difficiles à énumérer. Naturellement, ils promettent tous la température élevée de la transition supraconductrice. Mais que faut-il faire pour choisir un mécanisme unique qui expliquerait sans ambiguïté l'origine de la supraconductivité, et dont l'action pourrait déjà être améliorée en vérifiant et en changeant les composés chimiques?

Bien entendu, un calcul précis de la température de transition pour chacun des composés cuprates et pour tous les mécanismes proposés, et une comparaison plus poussée avec les données expérimentales, pourraient aider à choisir le mécanisme «correct». Malheureusement, cette méthode d'utilisation de la «force brute» est pratiquement impossible, car elle n'a pas assez de puissance des ordinateurs existant sur Terre.

Comme toujours, il vaut mieux y penser, les théoriciens du monde entier et, en particulier, le groupe de NUST «MISiS», que je dirige. L'idée de base est qu'un modèle raisonnable de supraconductivité devrait expliquer non seulement la supraconductivité, mais aussi un certain nombre d'autres phénomènes chez les cuprates. Il y a beaucoup de tels phénomènes chez les cuprates. Par exemple, il y a plusieurs années, l'existence de la modulation d'une charge électronique a été découverte. Par conséquent, la bonne théorie devrait également expliquer ce phénomène, ce qui réduit considérablement le nombre de candidats pour le rôle du mécanisme d'appariement d'électrons. En travaillant sur le problème de la supraconductivité à haute température, nous partons d'un modèle d'électrons interagissant par échange de fluctuations de magnétisation. Cette hypothèse peut être justifiée par le fait que les cuprates, lorsqu'ils sont dopés avec des atomes d'oxygène, subissent une transition métallique antiferromagnétique-normale.La supraconductivité ne peut apparaître qu'à l'état métallique, mais la proximité d'un aimant antiferromagnétique rend très probable l'hypothèse de l'échange de fluctuations antiferromagnétiques.
— - - (). AF- , SC- , PG – , , . K.B. Efetov, H. Meier, C. Pepin, Nat. Phys. 9, 442 (2013)

En utilisant cette hypothèse, nous avons déjà réussi à expliquer plusieurs phénomènes importants chez les cuprates, mais tout le temps nous devons garder une trace de nouvelles données expérimentales qui nous permettent de corriger ou d'affiner les résultats théoriques obtenus. Il nous semble que nous sommes sur la bonne voie et nos travaux permettront de faire face aux phénomènes observés chez les cuprates. Après cela, il sera déjà possible de réfléchir à la direction à suivre pour augmenter la température de transition. Grâce à une coopération étroite avec des chercheurs de différents pays, cette tâche ne semble pas insoluble.

Source: https://habr.com/ru/post/fr384439/

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