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Matériau supraconducteur



Principe technique

Zérorésistance

Lorsque le matériau supraconducteur est à l'état supraconducteur, la résistance est nulle, ce qui peut transmettre de l'énergie électrique sans perte. Si un champ magnétique est utilisé pour induire un courant induit dans la boucle supraconductrice, ce courant peut être maintenu sans atténuation.

Diamagnétisme

Lorsque le matériau supraconducteur est à l'état supraconducteur, tant que le champ magnétique appliqué ne dépasse pas une certaine valeur, les lignes de force magnétique ne peuvent pas pénétrer et le champ magnétique dans le matériau supraconducteur est toujours nul.

Température critique

La température à laquelle le matériau supraconducteur passe de l'état normal à l'état supraconducteur (ou vice versa) lorsque le champ magnétique externe est égal à zéro, exprimée en Tc. La valeur Tc varie selon les matériaux.

Champ magnétique critique

L'intensité du champ magnétique nécessaire pour détruire l'état supraconducteur du matériau supraconducteur et le transformer en état normal, exprimée en Hc.

Courant critique et densité de courant critique

LatempératurecritiqueTcofasupraconducteurestliéeàsonisotopemasseM.PluslaM estgrande,pluslaTcestinférieure,quiestappeléeffetisotopique.

Lorsque le courant traversant le matériau supraconducteur atteint une certaine valeur, l'état supraconducteur va se détruire et se transformer en l'état normal, qui s'exprime par Ic. Ic diminue généralement avec l'augmentation de la température et du champ magnétique externe.

Theseparametersofsuperconductingmaterialslimittheconditionsfortheapplicationofmaterials, sofindingnewsuperconductingmaterialswithhighparametershasbecomeanimportantresearchtopic.TakeTcasanexample.Fromthediscoveryofsuperconductivity (Hg, Tc = 4,2K) bytheDutchphysicistH.Kaimerlin-Onnesin1911, itwasnotuntil1986thatthehighestTcfoundreached23.2K. (Nb3Ge, 1973) .In1986, SwissphysicistK.A.MillerandFederalGermanphysicistJ.G.Bednorzdiscoveredthesuperconductivityofoxideceramicmaterials, therebyincreasingtheTcto35K.Afteronlyoneyear, theTcofthenewmaterialhasincreasedtoabout100K.Thisbreakthroughopenedupbroadprospectsfortheapplicationofsuperconductingmaterials ,etMillerandBednorzowsont égalementsurlePrixNobeldePhysique1987.

Principaux produits

Il existe 28 éléments à supraconductivité sous pression normale. Parmi eux, le niobium (Nb) a le Tc le plus élevé, qui est de 9,26 K.

Alliages

Theadditionofsuperconductingelementstosomeotherelementsasalloycomponentscanimprovetheoverallperformanceofsuperconductingmaterials.Forexample, thefirstappliedniobium-zirconiumalloy (Nb-75Zr) hasaTcof10.8KandaHcof8.7tex.Niobium-titaniumalloysweresubsequentlydeveloped.AlthoughTcisslightlylower, Hcismuchhigherandcancarrymorecurrentinagivenmagneticfield.ItsperformanceisNb-33Ti, Tc = 9.3K, Hc = 11.0tex; Nb-60Ti, Tc = 9.3K, Hc =12tex (4,2K).Les performances de l'alliage ternaire sont encore améliorées.

Composé

Les éléments supraconducteurs combinés avec d'autres éléments ont souvent de bonnes propriétés supraconductrices. Par exemple, Nb3Sn, qui a été largement utilisé, a Tc=18.1K et Hc=24.5tex.

Par exemple : céramique supraconductrice

Au début des années 80, MillerandBednorz a commencé à remarquer que certainsmatériaux céramiques oxydes peuvent avoir une supraconductivité.

Recherche scientifique

1. Dynamique des flux magnétiques et mécanisme supraconducteur des supraconducteurs non conventionnels

MainlystudythemagneticfieldinthemixedstateregionThemechanismofthewiremovement, thenatureoftheirreversiblewire, thecauseanditsrelationshipwiththemagneticfieldandtemperature, thedependenceofthecriticalcurrentdensityonthemagneticfieldandtemperature, andtheanisotropy.Theresearchofsuperconductivitymechanismfocusesonthestudyofmagnetoresistance, à effet Hall, fluctuationeffect, FermisurfacepropertiesandThigh-temperaturesuperconductivityunderastrongmagneticfieldinthenormalstate, suchasorganicsuperconductors, andhasbroadapplicationprospectsinstrongelectricity.Low-temperaturesuperconductors, etc., willalsocarryoutresearchontheirpropertiesunderstrongmagneticfields.

2.Recherche sur les propriétés de la matière condensée en écoulement sous un champ magnétique fort

Thelow-dimensionalitymakesthelow-dimensionalsystemexhibitcharacteristicsthatthethree-dimensionalsystemdoesnothave.Low-dimensionalinstabilityresultsinavarietyoforderedphases.Astrongmagneticfieldisaneffectivemeanstorevealthecharacteristicsoflow-dimensionalcondensedmatter.Themainresearchcontentsinclude: thestructureandsourceoforganicferromagnetism; supraconducteurs (themechanismandmagnetismoforganic de includingfullerene); thespecificpropertiesofthenonlinearelementexcitationinthetwo-dimensionalelectrongasunderastrongmagneticfield; thephasetransitionoflow-dimensionalmagneticmaterialsMagneticinteraction; transportandcarriercharacteristicsoforganicconductorsinamagneticfield; bandstructureandFermisurfacecharacteristicsinamagneticfield, etc.

3.Propriétés optiques et électriques des matériaux semi-conducteurs sous de forts champs magnétiques

Strongmagneticfieldtechnologyisbecomingmoreandmoreimportanttothedevelopmentofsemiconductorscience, becauseAmongvariousphysicalfactors, theexternalmagneticfieldistheonlyphysicalfactorthatchangesthespatialsymmetryofmomentumwhilekeepingthecrystalstructureunchanged.Therefore, themagneticfieldisparticularlyimportantinthestudyofsemiconductorenergybandstructureandthestudyofelementalexcitationandinteraction.effect.Byconductingexperimentalresearchontheopticalandelectricalpropertiesofsemiconductormaterialsunderstrongmagneticfields, itispossibletofurtherunderstandandgrasptheopticalandelectricalphysicalpropertiesofsemiconductors, soastomakebasicexplorationsforthemanufactureofsemiconductordeviceswithvariousfunctionsandthedevelopmentofhightechnology.

4.Problèmes physiques à l'échelle ultrafine sous de forts champs magnétiques

Manynewphenomenaandstrangepropertiesthatconventionalmaterialsdonothaveappearintheultra-fine-scalesystemThisiscloselyrelatedtothemicrostructureofthistypeofmaterial, especiallytheelectronicstructure.Thestrongmagneticfieldprovidesapowerfulmeansforstudyingtheelectronicstateandtransportcharacteristicsofultra-beaux-scalesystems.Itcannotonlyfurtherrevealthestrangephenomenathatthesematerialsaredifficulttoappearundernormalconditions, butalsoprovidearicherunderstandingoftheirphysicalpropertiesatadeeperlevel.Scientificinformation.Mainlyresearchtheelectrontransport, electroniclocalizationandcorrelationcharacteristicsofultra-beaux-scalemetalsandsemiconductorsunderstrongmagneticfields, quantumsizeeffects, quantumconfinementeffects, petits-sizeeffects, surfaceandinterfaceeffects, andultra-beaux-scaleoxidesandcarbonizationTheopticalpropertiesandenergygapfinestructureofcompoundsandnitrides.

5.chimie du champ magnétique fort

Theeffectofstrongmagneticfieldontheelectronspinandnuclearspinofchemicalreactionscanleadtotherelaxationofthecorrespondingchemicalbonds, resultinginnewThefavorableconditionsforbondformationinducephysicalandchemicalchangesthatcannotbeachievedundernormalconditions, andobtainnewmaterialsandnewcompoundsthatcouldnotbepreparedbefore.Strongmagneticfieldchemistryisanewfieldwithstrongapplicationfoundation, withaseriesoftheoreticaltopicsandbroadapplicationprospects.contribute.Aconceptuallyimportantdevelopmentinthe1980swasthediscoveryofthequantumHalleffectandthefractionalquantumHalleffect.Thiswasdiscoveredwhenstudyingthetransportphenomenonoftwo-dimensionalelectrongasunderastrongmagneticfield (wontheNobelPrizein1985) .ThediscoveryofthequantumHalleffectandthefractionalquantumHalleffectarousedtheenthusiasmofphysiciststoexploreitsorigins, andinestablishinganaturalbenchmarkforresistance, thebasicphysicalconstantse, handfinestructureconstants (= e2 / h (0cSuchapplicationshaveshowngreatsignificance.Theultimaterevealof le mécanisme de la supraconductivité à haute température dépendra également dans une large mesure de l'exploration des propriétés des supraconducteurs à haute température sous un champ magnétique intense.

FamiliarwiththehistoryofphysicsEveryoneknowsthattheimportantsignoftheevolutionfromsolidphysicstocondensedmatterphysicsliesintheexpansionofitsresearchobjects, fromperiodicstructurestonon-periodicstructures, fromthree-dimensionalcrystalstolow-dimensionalsystems-, etdes andevenfractalsystems.Thesenewobjectsexhibitalargenumberofnewcharacteristicsandphysicalphenomena, andthephysicalmechanismisverydifferentfromthetraditionalones.Theproductionofthesenewobjectsandtheinterpretationofneweffectsandphenomenahaveenabledthecontinuousenrichmentanddevelopmentofcondensedmatterphysics.Inthisprocess, extremeconditionshavealwaysplayedavitalrole, becauseextremeconditionsoftenmakecertainfactorsstandoutwhileinhibitingotherfactors, sothattheoriginallycomplexprocessbecomessimpler, whichisconducivetodirectlyunderstandingthenatureofphysics ..

Comparedwithotherextremeconditions, astrongmagneticfieldhasitsowncharacteristics.Theroleofastrongmagneticfieldistochangethephysicalstateofasystem, thatis, tochangetheangularmomentum (spin) andtheorbitalmotionofchargedparticles, donc, Italsochangesthestateofthephysicalsystem.Itisinthispointthatthestrongmagneticfieldisdifferentfromsomeotherexpensivemethodsinphysics, suchasneutronsourcesandsynchrotrons, andtheydonotchangethephysicalstateofthesystemunderstudy.Itcangeneratenewphysicalenvironmentandleadtonewcharacteristics, andthisnewphysicalenvironmentandnewphysicalcharacteristicsdonotexistwithoutamagneticfield.Lowtemperaturecanalsoleadtonewphysicalstates, suchassuperconductivityandphasechange, Butthestrongmagneticfieldisverydifferentfromthelowtemperature.Itismoreeffectivethanthelowtemperature.Thisisbecausethemagneticfieldquantizesthetelemotionandenergyofthechargedandmagneticparticles, andbreaksthetimereversalsymmetry, givingthemmoreuniqueproperties.

Thestrongmagneticfieldcanchangethesymmetryofthemomentumspacewhilekeepingthecrystalstructureunchanged.Thisisveryimportantforthestudyoftheenergybandstructureofsolidsandtheexcitationandinteractionofsolids.ComplexcostsofsolidsThericesurfacestructureisconfirmedbytheprinciplethatthestrongmagneticfieldallowsthefreemovementofelectronsandholesinaspecificdirection, whichleadstotheoscillationofmagnetizationandmagnetoresistance.TheresearchonthestructureandcharacteristicsoftheFermisurfaceinsolidshasalwaysbeencondensedmatterphysics.Frontiertopicsinthefield.Manymajorhotspotsinthebasicresearchofcondensedmatterphysicstodayareinseparablefromtheextremeconditionsofstrongmagneticfields, andmanyareevenbasedonresearchunderstrongmagneticfields.Forexample, Bosecondensationonlyoccursinmomentumspace.Observedinrealspace, thisphenomenoncanonlybepossibleinanon-uniformstrongmagneticfield.Anotherexampleisthemechanismofhigh-temperaturesuperconductivity, quantumHalleffectresearch, physicalproblemsinnanomaterialsandmesoscopic objets, andgiantmagnetoresistanceeffects.Thephysicaloriginoftheorganicferromagnetism, thestructureandsourceoforganicferromagnetism, themechanismandmagnetismoforganic (includingfullerene) superconducteurs, thephasetransitionandmagneticinteractionoflow-dimensionalmagneticmaterials, solidTheenergybandstructureandFermisurfacecharacteristicsinthephysicsandthestudyofelementaryexcitationandtheirinteractions, etc., researchworkunderastrongmagneticfieldwillhelptocorrectlyunderstandandrevealtheseproblems, therebypromotingthefurtherdevelopmentandimprovementofcondensedmatterphysics ..

Themovementofchargedparticleslikeelectrons, ions, etc.andcertainpolarmoleculeswillproducefundamentalchangesinamagneticfield, especiallyinastrongmagneticfield.Therefore, studyingtheinfluenceofstrongmagneticfieldonchemicalreactionprocess, surfacecatalysisprocess, matériel, especiallymagneticmaterialformationprocess, biologicaleffectandliquidcrystalformationprocess, etc., maymakenewdiscoveriesandgeneratenewinterdisciplinarytopics.Theapplicationofstrongmagneticfieldtomaterialscienceopensupanewpathforthedevelopmentofnewfunctionalmaterials.WorkinthisareaishighlyvaluedabroadandisalsobeginningtobedemandedinChina.Itispreciselybecauseoftheimmeasurableapplicationprospectsofhigh-temperaturesuperconductorsinthefuturestrongcurrentfieldthatithasattractedtheattentionofthescientificandtechnologicalcirclesandevengovernmentsofvariouscountries.Therefore, theresearchofphysicsandchemistryunderstrongmagneticfieldhasveryimportantscientificandtechnicalsignificancefromtheperspectiveofbasicresearchandtheperspectiveofapplic Grâce à cette recherche, elle contribuera non seulement à transformer les fondamentaux contemporains.

Histoiredudéveloppement

En 1911, DutchphysicistOnnis (1853-1926) discoveredthattheresistivityofmercurydidnotgraduallydecreasewithtemperatureasexpected, butWhenthetemperaturedropstonear4.15K, theresistanceofmercurysuddenlydropstozero.Certainmetals, alloysandcompounds, whenthetemperaturedropstoacertaintemperaturenearabsolutezero, theirresistivitysuddenlydecreasestoanunmeasurablephenomenoniscalledsuperconductivity, andsubstancesthatcancausesuperconductivityarecalledsuperconductors. .Latempératureà laquelleunsupraconducteurpassed'unétatnormalàunétatsupraconducteurestappeléetempératurede transition(outempératurecritique)TCdecettesubstance.

Lescaractéristiquesuniquesdessupraconducteurspermettentd'êtrelargementutilisésdansdifférentsdomaines.Cependant,parce quelespremierssupraconducteursexistaientdanslesconditionsdetempératureextrêmementbassedel'héliumliquide,l'applicationdesmatériauxsupraconducteursétaitfortementrestreinte.

En 1986, une percée majeure a été faite dans la recherche des supraconducteurs à haute température. La « supraconductivité » qui vise à rechercher des matériaux céramiques à oxyde métallique et à rechercher des supraconducteurs à haute température critique a été lancée.

InJanuary1986, scientistsBenozandMüllerattheInternationalBusinessMachinesLaboratoryinZurich, Suisse, firstdiscoveredthatbarium, lanthane, copperoxideisahigh-temperaturesuperconductor, raisingthesuperconductingtemperatureto30K, puis theFacultyofEngineeringoftheUniversityofTokyoinJapanraisedthesuperconductingtemperatureto37K, theUniversityofHoustonannouncedthattheChinese-AmericanscientistZhuJingwuhadraisedthesuperconductingtemperatureto40.2K.

InearlyJanuary1987, theKawasakiNationalInstituteofMolecularResearchinJapanraisedthesuperconductingtemperatureto43K; soontheJapanInstituteofElectronicsResearchraisedthesuperconductingtemperatureto46Kand53K.TheresearchgroupledbyZhaoZhongxianandChenLiquanoftheInstituteofPhysicsoftheChineseAcademyofSciencesobtained48.6Kstrontiumlanthanumcopper-oxygensuperconductorsandsawsignsoftransformationofsuchsubstancesat70K.OnFebruary15th, theUnitedStatesreportedthatZhuJingwuandWuMaokunhadobtained98Ksuperconductors.OnFebruary20th, Chinaalsoannouncedthediscoveryofsuperconductorsabove100K.OnMarch3, Japanannouncedthediscoveryofa123Ksuperconductor.OnMarch12th, PekingUniversityinChinasuccessfullyconductedsuperconductingmagneticlevitationexperimentswithliquidnitrogen.OnMarch27th, ChineseAmericanscientistsdiscoveredthatthereweresignsofsuperconductivitywithatransitiontemperatureof240Kinoxidesuperconductingmaterials.Soon, theFacultyofEngineeringatKagoshimaUniversityinJapandiscoveredthatceramicmaterialscomposedoflantha num, le strontium, le cuivre, andoxygenhadsignsofsuperconductivityatatemperatureof14 ° C.Ahugebreakthroughinhigh-temperaturesuperconductors, theuseofliquidnitrogeninsteadofliquidheliumasasuperconductingrefrigeranttoobtainsuperconductorshasenabledthedevelopmentandapplicationofsuperconductingtechnologyonalargescale.Nitrogenisthemaincomponentofair, andtheefficiencyofliquidnitrogenrefrigeratorsisatleast10timeshigherthanthatofliquidhelium, sothepriceofliquidnitrogenisactuallyonly1 / 100ofthatofliquidhelium.Liquidnitrogenrefrigerationequipmentissimple.Therefore, althoughtheexistinghigh-temperaturesuperconductorsmustbecooledwithliquidnitrogen, theyareconsideredtobeoneofthegreatestscientificdiscoveriesinthe20thcentury.

Champ d'application

Theexcellentpropertiesofsuperconductingmaterialshavemadeitpossibletoshowattractiveapplicationprospectstomankindfromthedayitwasdiscovered.However, theactualapplicationofsuperconductingmaterialsisrestrictedbyaseriesoffactors.Thisisfirstlyitscriticalparameters, andsecondly, therearealsoissuessuchastheprocessofmaterialproduction (Parexemple, howtomakebrittlesuperconductingceramicsintoflexiblewireshasaseriesofprocessproblems.) Bythe1980s, themainapplicationsofsuperconductingmaterialswere: ①Usingthesuperconductivityofthematerialtomakemagnets, usedinmotors, haute-energyparticleaccelerators, magneticlevitationtransportation, controlledthermonuclearreactions, energystorage, etc; canbeusedtomakepowercablesforLarge-capacitypowertransmission (powerupto10000MVA); communicationcablesandantennascanbemade, anditsperformanceisbetterthanconventionalmaterials... ②Legyroscopeetle roulementsansfrottementpeuventêtreréalisésenutilisantlediamagnétismecompletdumatériau. ecteurs,générateurs micro-ondes,éléments logiques,etc.peuvent être réalisés.En utilisant lajonctionJosephsoncommeélémentslogiqueetdestockaged'unordinateur,savitessedefonctionnementest10-20 foisplus rapide que celle d'uncircuitintégréhauteperformanceetsaconsommationd'énergieseulementun quart.

Produits de recherche et développement

Le 28 mars 2014, l'équipe de recherche de l'Institut japonais des matériaux et des matériaux a recherché et synthétisé de nouveaux composés supraconducteurs contenant de l'or et du silicium.

Theresearchteamchemicallyreactedgoldwithsiliconandstrontiumdisilicideunderthehightemperatureandhighpressureconditionsof1500degreesand60,000atmospherestoproduceanewtypeofsuperconductorcalled "SrAuSi3" .ThesuperconductingstateisreachedatKabsolutetemperature.Accordingtotheoreticalcalculationandanalysis, theelectronicstructureofthenewsuperconductorhasanincreasednumberofelectrons, strongerelectronicmagnetism, andstrongerspin-orbitcouplingcomparedwiththegoldelementwithalargeratomicnumber.ItbelongstothecompoundofBaNiSn3structure.Theresearchresultshavebeenpublishedin "MaterialsChemistry" editedbytheAmericanChemicalSociety.

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