Les supraconducteurs à température ambiante pourraient révolutionner l’électronique, explique un ingénieur électricien

Les supraconducteurs font de l’électronique très efficace, mais les températures ultra basses et les pressions ultra hautes nécessaires pour les faire fonctionner sont coûteuses et difficiles à mettre en œuvre. Les supraconducteurs à température ambiante promettent de changer cela.

L’annonce récente par des chercheurs de l’Université de Rochester d’un nouveau matériau supraconducteur à température ambiante, bien qu’à haute pression, est un développement passionnant, s’il est prouvé. Si le matériau ou un matériau similaire fonctionne de manière fiable et peut être produit en masse de manière économique, il pourrait révolutionner l’électronique.

Les matériaux supraconducteurs à température ambiante ouvriraient de nombreuses nouvelles possibilités d’applications pratiques, notamment des réseaux électriques ultra-efficaces, des puces informatiques ultra-rapides et économes en énergie et des aimants ultra-puissants pouvant être utilisés pour faire léviter des trains et contrôler des réacteurs à fusion.

Un supraconducteur est un matériau qui conduit le courant continu sans rencontrer de résistance électrique. La résistance est la propriété du matériau qui entrave la circulation de l’électricité. Les supraconducteurs traditionnels doivent être refroidis à des températures extrêmement basses, proches du zéro absolu.

Au cours des dernières décennies, les chercheurs ont développé des supraconducteurs dits à haute température, qui n’ont qu’à être refroidis à moins-10 degrés Fahrenheit (moins-23 Celsius). Bien qu’ils soient plus faciles à utiliser que les supraconducteurs traditionnels, les supraconducteurs à haute température nécessitent toujours un équipement thermique spécial. En plus des températures froides, ces matériaux nécessitent une pression très élevée, 1,67 million de fois supérieure à la pression atmosphérique de 14,6 livres par pouce carré (1 bar).

Comme leur nom l’indique, les supraconducteurs à température ambiante n’ont pas besoin d’équipement spécial pour les refroidir. Ils doivent être pressurisés, mais seulement à un niveau environ 10 000 fois supérieur à la pression atmosphérique. Cette pression peut être obtenue en utilisant de solides enveloppes métalliques.

Où les supraconducteurs sont utilisés

L’électronique supraconductrice fait référence aux dispositifs et circuits électroniques qui utilisent des matériaux supraconducteurs pour atteindre des niveaux extrêmement élevés de performances et d’efficacité énergétique qui sont des ordres de grandeur supérieurs à ceux qui peuvent être atteints avec des dispositifs et circuits semi-conducteurs de pointe.

L’absence de résistance électrique dans les matériaux supraconducteurs signifie qu’ils peuvent supporter des courants électriques élevés sans aucune perte d’énergie due à la résistance. Cette efficacité rend les supraconducteurs très attractifs pour la transmission de puissance.

Le fournisseur de services publics Commonwealth Edison a installé des lignes de transmission supraconductrices à haute température et a présenté des technologies pour alimenter le côté nord de Chicago pendant une période d’essai d’un an. Comparé au fil de cuivre conventionnel, le fil supraconducteur amélioré peut transporter 200 fois le courant électrique. Mais le coût du maintien des basses températures et des hautes pressions requises pour les supraconducteurs d’aujourd’hui rend même ce gain d’efficacité irréalisable dans la plupart des cas.

Étant donné que la résistance d’un supraconducteur est nulle, si un courant est appliqué à une boucle supraconductrice, le courant persistera indéfiniment à moins que la boucle ne soit interrompue. Ce phénomène peut être utilisé dans diverses applications pour fabriquer de grands aimants permanents.

Les machines d’imagerie par résonance magnétique d’aujourd’hui utilisent des aimants supraconducteurs pour atteindre la force du champ magnétique de quelques teslas, ce qui est nécessaire pour une imagerie précise. À titre de comparaison, le champ magnétique terrestre a une intensité, ou densité de flux, d’environ 50 microteslas. Le champ magnétique produit par l’aimant supraconducteur dans une machine IRM de 1,5 tesla est 30 000 fois plus fort que celui produit par la Terre.

Le scanner utilise l’aimant supraconducteur pour générer un champ magnétique qui aligne les noyaux d’hydrogène dans le corps d’un patient. Ce processus combiné aux ondes radio produit des images de tissus pour un examen IRM. La force de l’aimant affecte directement la force du signal IRM. Une machine IRM de 1,5 tesla nécessite des temps de balayage plus longs pour créer des images claires qu’une machine de 3,0 tesla.

Les matériaux supraconducteurs expulsent les champs magnétiques de l’intérieur d’eux-mêmes, ce qui en fait de puissants électroaimants. Ces super-aimants ont le potentiel de faire léviter les trains. Les électroaimants supraconducteurs génèrent des champs magnétiques de 8,3 tesla, soit plus de 100 000 fois le champ magnétique terrestre. Les électroaimants utilisent un courant de 11 080 ampères pour produire le champ, et une bobine supraconductrice permet aux courants élevés de circuler sans perte d’énergie. Le train supraconducteur Maglev de Yamanashi au Japon lévite à 10 centimètres au-dessus de sa voie de guidage et se déplace à des vitesses allant jusqu’à 500 km/h.

Les circuits supraconducteurs sont également une technologie prometteuse pour l’informatique quantique car ils peuvent être utilisés comme qubits. Les qubits sont les unités de base des processeurs quantiques, analogues mais beaucoup plus puissants que les transistors des ordinateurs classiques. Des entreprises telles que D-Wave Systems, Google et IBM ont construit des ordinateurs quantiques qui utilisent des qubits supraconducteurs. Bien que les circuits supraconducteurs fassent de bons qubits, ils posent certains défis technologiques à la fabrication d’ordinateurs quantiques avec un grand nombre de qubits. Un problème clé est la nécessité de maintenir les qubits à des températures très basses, ce qui nécessite l’utilisation de grands dispositifs cryogéniques appelés réfrigérateurs à dilution.

Promesse des supraconducteurs à température ambiante

Les supraconducteurs à température ambiante élimineraient bon nombre des défis associés au coût élevé d’exploitation des circuits et des systèmes à base de supraconducteurs et faciliteraient leur utilisation sur le terrain.

Les supraconducteurs à température ambiante permettraient des interconnexions numériques à ultra haut débit pour les ordinateurs de nouvelle génération et des communications sans fil à large bande à faible latence. Ils permettraient également des techniques d’imagerie à haute résolution et des capteurs émergents pour les applications biomédicales et de sécurité, les analyses de matériaux et de structures et la radioastrophysique de l’espace lointain.

Les supraconducteurs à température ambiante signifieraient que les IRM pourraient devenir beaucoup moins coûteuses à exploiter car elles ne nécessiteraient pas de liquide de refroidissement à l’hélium liquide, qui est cher et en quantité insuffisante. Les réseaux électriques seraient au moins 20 % plus efficaces que les réseaux actuels, ce qui se traduirait par des milliards de dollars d’économies par an, selon mes estimations. Les trains Maglev pourraient circuler sur de plus longues distances à moindre coût. Les ordinateurs fonctionneraient plus rapidement avec des ordres de grandeur de consommation d’énergie inférieure. Et les ordinateurs quantiques pourraient être construits avec beaucoup plus de qubits, ce qui leur permettrait de résoudre des problèmes bien au-delà de la portée des supercalculateurs les plus puissants d’aujourd’hui.

La possibilité de concrétiser cet avenir prometteur de l’électronique et la rapidité avec laquelle cet avenir prometteur de l’électronique pourra être réalisé dépend en partie de la possibilité de vérifier le nouveau matériau supraconducteur à température ambiante et de savoir s’il peut être produit en masse de manière économique.

Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l’article d’origine.