Les supraconducteurs à haute température (HTS) sont des matériaux qui peuvent conduire l'électricité à courant direct (DC) avec une résistance électrique nulle à des températures nettement supérieures au point d'ébullition de l'azote liquide (77 K, ou -196 °C). Cette propriété les distingue des supraconducteurs à basse température (LTS), qui nécessitent un refroidissement à l'hélium liquide coûteux pour fonctionner. Les implications pratiques sont énormes: HTS permet une transmission de puissance plus efficace, des aimants plus forts pour l'imagerie médicale et la recherche scientifique, et le potentiel de stockage d'énergie sans perte et de lévitation magnétique.

Principes fondamentaux de la supraconductivité à haute température

La supraconductivité a été découverte pour la première fois en 1911 par Heike Kamerlingh Onnes dans le mercure refroidi à 4,2 K. Pendant des décennies, la température critique (Tc) la plus élevée possible est restée inférieure à 30 K, limitant ainsi l'utilisation pratique à des applications spécialisées et coûteuses. Cela a changé de façon spectaculaire en 1986 avec la découverte de supraconducteurs de cuprate par Georg Bednorz et K. Alex Müller, qui ont trouvé un composé à base de lanthane avec un Tc de 35 K. En quelques mois, les chercheurs ont poussé Tc au-dessus de 90 K dans l'oxyde de cuivre baryum yttrium (YBCO), traversant le seuil de l'azote liquide et inaugurant l'ère de la supraconductivité à haute température.

Le mécanisme sous-jacent des cuprates n'est pas entièrement expliqué par la théorie classique de Bardeen‐Cooper‐Schrieffer (BCS), qui décrit la supraconductivité dans les matériaux à basse température. Dans les cuprates, les électrons s'apparient par des interactions électro-phononiques fortes, médiées par des fluctuations de spin antiferromagnétiques dans les plans d'oxyde de cuivre. Cette appariement non conventionnel conduit à un Tc beaucoup plus élevé mais introduit aussi des propriétés anisotropes — les matériaux se conduisent le mieux le long des plans d'oxyde de cuivre et mal perpendiculaires à eux.

Paramètres de performance critiques pour la sélection du matériau

Lors de l'évaluation de tout supraconducteur, trois propriétés intrinsèques définissent son enveloppe de performance : la température critique (Tc), le champ magnétique critique (Hc2) et la densité critique du courant (Jc).

Température critique (Tc)

Pour le HTS, un Tc supérieur à 77 K est souhaitable car l'azote liquide est un cryogène bon marché et abondant. Des valeurs plus élevées de Tc simplifient les exigences de refroidissement, réduisent la complexité du système et réduisent les coûts de fonctionnement. Cependant, Tc seul ne garantit pas l'utilité; un matériau avec un Tc très élevé mais une faible densité de courant ou une fragilité peut être impropre à des applications comme les câbles électriques.

Champ magnétique critique supérieur (Hc2)

La supraconductivité est détruite lorsque le champ magnétique appliqué dépasse une limite spécifique au matériau. Dans les supraconducteurs de type II – qui comprennent tous les HTS pratiques – il y a deux champs critiques : Hc1 (ci-dessous quel flux magnétique est complètement expulsé) et Hc2 (ci-dessus lequel le matériau revient à l'état résistif normal). Le champ d'irréversibilité (Hirr) est souvent plus pertinent; il marque le champ au-dessus duquel le vortex échoue et Jc tombe à zéro.

Densité critique du courant (Jc)

Jc est la densité maximale de courant qu'un supraconducteur peut transporter sans résistance. En HTS, Jc dépend de la température et du champ magnétique. A 77 K et en auto-champ, les conducteurs revêtus peuvent atteindre Jc > 3 MA/cm2. Cependant, Jc se dégrade en présence de champs magnétiques à moins que le matériau ne contienne de puissants centres de picotement artificiels – des défauts à l'échelle nanométrique qui immobilisent les tourbillons de flux magnétique.

Propriétés mécaniques et thermiques

Les céramiques HTS sont notoirement fragiles. Pour une utilisation pratique, elles sont souvent intégrées dans des matrices métalliques (par exemple, argent ou nickel-tungsten) pour fournir un support mécanique et une tolérance de déformation. Le coefficient de dilatation thermique doit correspondre au substrat pour éviter la délamination pendant le refroidissement.

Stabilité chimique et résistance environnementale

De nombreux supraconducteurs de cuprate réagissent avec l'humidité et le dioxyde de carbone, ce qui dégrade leurs propriétés supraconductrices au fil du temps. Des revêtements protecteurs ou une encapsulation sont souvent nécessaires. La sélection des matériaux doit tenir compte de l'environnement de fonctionnement – par exemple, un câble d'alimentation enfoui sous terre peut faire face à des températures extrêmes différentes de celles d'un aimant dans un laboratoire.

Fabrication et coût

Même le meilleur matériau HTS est inutile s'il ne peut pas être produit économiquement à l'échelle. La facilité de la formation de fils ou bandes de longue longueur, le rendement du procédé de fabrication et le coût des matières premières (par exemple, l'argent en BSCCO) sont critiques.

Familles majeures de matériaux supraconducteurs à haute température

Plusieurs familles de matériaux HTS ont été découvertes, chacune présentant des avantages et des limites distincts. Les plus matures et les plus largement utilisées sont les cuprates, mais les supraconducteurs à base de fer et d'autres systèmes sont de plus en plus pris en compte pour les applications de niche.

Oxyde de cuivre au baryum d'Yttrium (YBCO)

YBCO (YBa2Cu3O7−ю) a un Tc d'environ 92 K, ce qui en fait le HTS le plus connu et le plus étudié. Il cristallise dans une structure de perovskite stratifiée avec des plans d'oxygène-cuivre responsables de la supraconductivité. YBCO est le fondement des fils HTS de deuxième génération (2G) appelés conducteurs revêtus. Ces bandes sont faites en déposant une couche mince de YBCO (1–2 μm) sur un substrat métallique flexible (généralement un alliage de nickel-tungsten) utilisant des dépôts laser pulsés ou des dépôts de vapeur chimique métal-organique.

Les bandes YBCO produisent des Jc très élevés (jusqu'à 10 MA/cm2 à 77 K, auto-champ) et maintiennent des densités de courant significatives dans les champs dépassant 30 T à des températures plus basses (p. ex. 4,2 K). Des centres de pinnage artificiels – tels que des nanorodes de zirconate de baryum ou des nanoparticules d'oxyde d'yttrium – sont introduits pour améliorer les performances sur le terrain.

Défis clés : Le YBCO est sensible à la stœchiométrie de l'oxygène, aux limites des grains (les limites des grains à angle élevé réduisent fortement Jc) et aux contraintes mécaniques.

Bismuth Oxyde de cuivre de calcium de strontium (BSCCO)

La BSCCO existe en deux phases principales : Bi‐2212 (Tc ↓ 85 K) et Bi‐2223 (Tc ↓ 108 K). Cette dernière a le Tc le plus élevé parmi les fils HTS disponibles sur le marché. BSCCO a été le premier matériau HTS à être fabriqué en longueurs de conducteurs en forme de ruban, connu sous le nom de fils HTS de première génération (1G).

Les bandes Bi‐2223 offrent un bon Jc à 77 K (environ 1 MA/cm2) et sont largement utilisées dans les câbles de démonstration, les transformateurs et les moteurs. Bi‐2212, bien qu'ayant un Tc inférieur, est plus flexible et peut être fabriqué comme des fils ronds, ouvrant la porte pour les câbles à filaments torsadés qui réduisent les pertes en courant alternatif.

Défis : BSCCO exige une grande fraction de volume d'argent (jusqu'à 40 % par section transversale) pour le support mécanique et le partage du courant, ce qui rend le fil coûteux. Son Jc chute rapidement dans des champs magnétiques modérés à 77 K, limitant son utilisation dans les aimants à champ élevé à moins de refroidir en dessous de 30 K. Les limites des grains sont moins problématiques que dans YBCO parce que BSCCO a une structure de grains plus plate qui s'aligne mieux sous déformation mécanique.

Cuprates à base de thallium

Les composés HTS à base de thallium, tels que Tl2Ba2Ca2Cu3O10 (Tc ↓ 125 K) et Tl‐1223 (Tc ↓ 120 K), ont été découverts peu après les premiers cuprates et ont suscité de l'intérêt pour leur Jc supérieur en champ par rapport à BSCCO. Cependant, l'extrême toxicité du thallium rend la manipulation, la synthèse et l'élimination éventuelle dangereuse et coûteuse.

Cuprates à base de mercure

L'oxyde de cuivre de baryum de calcium (HgBa2Ca2Cu3O8+-) détient le record pour le Tc le plus élevé sous pression ambiante – environ 135 K – et encore plus sous pression.

Superconducteurs à base de fer

Découverts en 2008, les supraconducteurs à base de fer (p. ex. SmFeAsO1−xFx, Tc ↓ 55 K; BaFe2As2 avec Tc jusqu'à 38 K) ont suscité des recherches intenses. Ils contiennent des couches d'arséniure de fer ou de séléniure de fer et présentent des champs critiques supérieurs élevés, une faible anisotropie et une ductilité mécanique modérée par rapport aux cuprates. Leur Tc est inférieur à 77 K, donc ils ont besoin de cryocoolers ou de néon liquide/hydrogène, mais ils peuvent offrir une meilleure manufacturabilité et des coûts de matériaux plus faibles.

Autres matières à noter

Le diboride de magnésium (MgB2) a un Tc de 39 K, en dessous du seuil HTS, mais mérite d'être mentionné car il est bon marché, facile à produire en fils, et largement utilisé dans les aimants IRM et les applications industrielles. Il se situe entre les supraconducteurs à basse température et à haute température et peut être refroidi avec de l'hydrogène liquide ou des cryocoolers.

Sélection du matériel par demande

Le choix du meilleur matériel HTS dépend des exigences spécifiques de l'application. Ci-dessous sont des considérations clés pour les cas d'utilisation majeurs.

Câbles de transmission d'énergie

Les câbles électriques HTS peuvent transporter trois à cinq fois le courant des câbles en cuivre conventionnels de la même section, réduisant ainsi les pertes et l'empreinte. Pour les câbles souterrains, les bandes Bi‐2223 ont été le cheval de bataille en raison de leur haute Tc, de leur fabrication mature et de leur Jc acceptable à 77 K. Cependant, les conducteurs revêtus de YBCO de deuxième génération sont maintenant préférés pour les nouvelles installations parce qu'ils offrent une densité de courant plus élevée, une meilleure résistance mécanique et une diminution des pertes en courant alternatif lorsqu'ils sont striés (patternés) pour réduire les courants de Foucault.

Magnets pour IRM et RMN

Les systèmes classiques d'imagerie par résonance magnétique (IRM) et de résonance magnétique nucléaire (RMN) reposent sur des champs magnétiques solides et stables. Les aimants classiques à basse température NbTi et Nb3Sn fonctionnent à 4,2 K. Les systèmes HTS peuvent fonctionner à des températures plus élevées, réduisant la puissance frigorifique ou permettant des champs plus élevés. Pour l'IRM à l'échelle humaine (1,5–3 T), le BSCCO refroidi à 30–50 K peut être compétitif.

Limiteurs de courant de défaillance (LFC)

Les FCL protègent les grilles électriques des courants de court-circuit. Lorsqu'une défaillance survient, les superconducteurs s'éteignent (devient résistif) en millisecondes, limitant le courant de surtension. Le matériau doit être fortement transféré de l'état supraconducteur à l'état normal, à une résistivité élevée à l'état normal et à une récupération rapide. Les bandes YBCO sont bien adaptées parce que leur chauffage local provoque une transition résistive rapide.

Machines rotatives (moteurs et génératrices)

Les moteurs et les générateurs HTS réduisent la taille et le poids tout en améliorant l'efficacité. Le rotor contient généralement des bobines HTS qui créent un champ magnétique élevé. Les forces mécaniques et la contrainte centrifuge nécessitent une architecture de conducteur robuste. Les conducteurs enduits sur substrats métalliques flexibles sont préférés aux bandes BSCCO cassantes car elles tolèrent mieux les tensions.

Levitation magnétique (Maglev)

Les trains et les systèmes de transport de Maglev utilisent des bandes ou des enrobages HTS pour créer une lévitation stable par le biais du rainage de flux. Le YBCO en vrac (simple domaine ou multigrains) peut piéger les champs magnétiques de plusieurs tesla, ce qui permet une lévitation passive.

Défis de la fabrication et de l'échelle

La production de matériaux HTS en longueur, qualité et coût suffisants a constitué le plus grand obstacle à la commercialisation. La céramique de cuprate est par nature fragile; en les faisant en conducteurs flexibles, il faut des conceptions composites élaborées.

  • Fils (1G) de première génération[ – bandes BSCCO en tube de poudre, limitées en longueur par des points faibles mécaniques et un coût en argent.
  • Fils (2G) de deuxième génération – Conducteurs revêtus YBCO, cultivés épitaxialement sur des modèles texturés. Des longueurs continues de plus de 1 km sont désormais possibles avec des méthodes de dépôt assisté par faisceaux ioniques (IBAD) ou de substrat biaxial assisté par roulement (RABiTS). Le défi est de maintenir un Jc uniforme sur de longues longueurs et de réduire les défauts qui causent le chauffage et l'extinction locaux.

Autres obstacles à la fabrication: contrôle de la teneur en oxygène (critique dans YBCO), suppression des liaisons faibles aux frontières des grains et intégration des stabilisateurs sans performance de supraconducteur dégradante. Le coût par kA·m reste un ordre de grandeur supérieur au cuivre pour de nombreuses applications, bien qu'il continue à diminuer à mesure que les volumes de production augmentent.

Perspectives d'avenir et nouveaux matériaux

La recherche continue de repousser les limites du rendement des STS.

  • Centres de picotement artificiel[ – intégrant des nanoparticules ou des phases non supraconductrices dans la matrice YBCO pour augmenter Jc dans les champs magnétiques élevés.
  • Les supraconducteurs à base d'iro – avec une anisotropie plus faible et une tolérance supérieure aux limites des grains, ils peuvent éventuellement permettre des fils polycristallins moins chers.
  • Hydrides sous haute pression – supraconductivité à température ambiante a été signalée dans des composés riches en hydrogène (p. ex. H3S, Tc -- 203 K sous 155 GPa; LaH10, Tc -250 K sous 170 GPa). Ces derniers nécessitent des pressions extrêmes et ne sont pas encore pratiques, mais ils guident la recherche de supraconducteurs à température ambiante proche.
  • Croissance du flux et supraconducteurs en vrac – amélioration du champ piégé dans les gros volumes pour les machines à maglev et à rotation.

Les conducteurs revêtus de YBCO offrent actuellement la meilleure combinaison globale de Tc, Jc et flexibilité mécanique, même à un prix élevé. BSCCO reste compétitif pour des applications spécifiques à basse température. À mesure que les échelles de production et les nouveaux matériaux émergeront, le paysage évoluera, mais les critères fondamentaux de Tc, Hc2, Jc et la Manufacturabilité continueront de guider la sélection. Pour ceux qui conçoivent des systèmes d'énergie et d'aimant de nouvelle génération, une compréhension approfondie de ces paramètres et familles de matériaux est essentielle pour atteindre des objectifs de performance, de fiabilité et de coûts.

Pour plus de détails, voir l'article Wikipedia sur la supraconductivité à haute température, l'article sur l'examen de YBCO et le papier nature sur les avancées récentes dans les conducteurs enduits.