Nadprzewodnictwo (lub nadprzewodzące) jest zjawisko charakteryzuje się brakiem rezystancji elektrycznej i wydaleniu z pola magnetycznego - na skutek Meissner - w pewnych materiałów znanych jako nadprzewodnictwa .
Pierwsze historycznie odkryte nadprzewodnictwo, powszechnie nazywane nadprzewodnictwem konwencjonalnym, występuje w bardzo niskich temperaturach, bliskich zeru absolutnego ( -273,15 ° C ). Nadprzewodnictwo umożliwia w szczególności transport energii elektrycznej bez strat energii. Jego potencjalne zastosowania są strategiczne.
W konwencjonalnych nadprzewodnikach między atomami i swobodnymi elektronami zachodzą złożone interakcje, które prowadzą do pojawienia się związanych par elektronów , zwanych parami Coopera . Wyjaśnienie nadprzewodnictwa jest ściśle powiązane z kwantową charakterystyką materii. Podczas gdy elektrony są fermionami , pary elektronów zachowują się jak bozony o spinie równym 0 zwane singletami i są "skondensowane" w pojedynczy stan kwantowy , w postaci nadcieczy par Coopera.
Podobnym efektem nadprzewodnictwa jest nadciekłość , charakteryzująca przepływ bez oporów, to znaczy małe zaburzenie, które jest poddane działaniu tego typu cieczy nigdy się nie zatrzymuje, podobnie jak pary Coopera poruszają się bez oporów w nadprzewodniku.
Istnieją również inne klasy materiałów, zbiorczo nazywane „nadprzewodnikami niekonwencjonalnymi” (w przeciwieństwie do określenia nadprzewodnictwa konwencjonalnego), których właściwości nie wyjaśnia teoria BCS . W szczególności klasa miedzianów (lub „nadprzewodników o wysokiej temperaturze krytycznej”), odkryta w 1986 roku, wykazuje właściwości nadprzewodzące w znacznie wyższych temperaturach niż nadprzewodniki konwencjonalne. Jednak to, co fizycy nazywają „wysoką temperaturą”, pozostaje niezwykle niskie w porównaniu z temperaturami na powierzchni Ziemi (maksymalna wynosi -140 °C ), ale czasami przekracza temperaturę skraplania azotu w ciekłym azocie do 77 K . Pierwszy materiał nadprzewodzący w temperaturze pokojowej, dodano wodorek z węgla i siarki , została odkryta w 2020: T C = 287,7 ± 1,2 K (około 15 ° C ), ale pod ciśnieniem od 267 ± 10 GPa (w pobliżu ciśnienia w środku Ziemia).
Chociaż przedmiot ten był jednym z najczęściej badanych przedmiotów w fizyce ciała stałego od wczesnych lat 90., w 2010 r. żadna z teorii nie opisuje w sposób zadowalający zjawiska nadprzewodnictwa niekonwencjonalnego. Teorii fluktuacji spinowych jest jednym z najbardziej obiecujących i pozwala wiele właściwości helu 3 , ciężkich fermionów i miedzianów być powielana . W tej teorii parowanie odbywa się poprzez wymianę fluktuacji spinu, jednak nie ustalono jeszcze konsensusu. Ta teoria może również pomóc wyjaśnić nadprzewodnictwo nadprzewodników na bazie żelaza.
Zjawisko to zostało odkryte w 1911 roku przez holenderskiego fizyka Heike Kamerlingha Onnesa i jego zespół złożony z Gillesa Holsta , Cornelisa Dorsmana i Gerita Flim. Kamerlingh Onnes po raz pierwszy z powodzeniem upłynnił hel w 1908 roku, co umożliwiło mu prowadzenie pomiarów fizycznych do temperatury 1,5 K (-271,6 ° C). Następnie podjął się programu systematycznych pomiarów właściwości materii w bardzo niskich temperaturach, w szczególności pomiaru rezystancji elektrycznej metali. 8 kwietnia 1911Środki zespół że oporność elektryczna (lub rezystancji elektrycznej ) od rtęci wynosi zero poniżej pewnej temperatury zwanej krytyczna temperatura T c , rzędu 4,2 K rtęci. To pierwsza obserwacja stanu nadprzewodzącego, choć w tamtym czasie można go było pomylić z idealnym przewodnikiem. Plotka przypisuje zasługę odkrycia Gillesowi Holstowi (uczniowi K. Onnesa), ale odkryty później zeszyt doświadczeń, napisany przez samego Kamerlingha Onnesa, pokazuje, że ten ostatni rzeczywiście panował nad doświadczeniem tego dnia, Gilles Holst mierząc opór elektryczny z mostem Wheatstone'a , Cornelis Dorsman i Gerit Flim zajmujący się aspektami kriogeniki. Za całą swoją pracę nad upłynnianiem helu i stosowaniem ciekłego helu Kamerlingh Onnes otrzymał w 1913 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki .
Eksperymenty z wieloma innymi pierwiastkami pokazują, że niektóre mają nadprzewodnictwo, a inne nie: w szczególności w 1922 r. ołów w temperaturze -266,15 ° C ; aw 1941 r. azotek niobu w 16 K.
W 1933 roku Meissner i Ochsenfeld odkryli drugą cechę stanu nadprzewodzącego, mianowicie odpychanie pola magnetycznego, zjawisko znane jako efekt Meissnera . W 1935 roku bracia Fritz i Heinz London wykazali, że efekt Meissnera jest konsekwencją minimalizacji energii swobodnej niesionej przez prąd nadprzewodzący.
W 1950 roku stwierdzono, że temperatura krytyczna zależy od masy izotopowej.
W 1950 roku Lev Landau i Vitali Ginzburg opracowali ponownie tak zwaną teorię fenomenologiczną Ginzburga-Landaua . Teoria ta wyjaśnia makroskopowe właściwości nadprzewodników w pobliżu przejścia fazowego za pomocą równania Schrödingera . W szczególności Aleksiej Abrikosow pokazuje, że dzięki tej teorii możemy przewidzieć istnienie dwóch kategorii nadprzewodników (typu I i II). Za tę pracę Abrikosov i Ginzburg otrzymają Nagrodę Nobla w 2003 r. (Landau zmarł w 1968 r .).
W 1957 r. holenderski chemik odkrył pierwszy organiczno-syntetyczny nadprzewodnik, ditetrametylotetraselenofulwalinoheksafluorofosforan .
Kompletny teoria nadprzewodnictwa została zaproponowana w 1957 roku przez John Bardeen , Leon Cooper i John Schrieffer . Znana pod nazwą teoria BCS (od ich inicjałów), wyjaśnia nadprzewodnictwo przez tworzenie się par elektronów (par Coopera), a następnie formowanie bozonów i umożliwianie kondensacji. Zgodnie z tą teorią parowanie elektronów odbywa się dzięki atrakcyjnej interakcji między nimi, spowodowanej ich sprzężeniem z drganiami sieci zwanej fononami . Za swoją pracę autorzy otrzymają Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1972 roku .
W 1959 Gorkow wykazał, że teorię BCS można zredukować do teorii Ginzburga-Landaua w pobliżu temperatury krytycznej dla pojawienia się nadprzewodnictwa.
W 1962 roku Westinghouse wprowadził na rynek pierwsze druty nadprzewodzące ( ze stopu niobu z tytanem ). W tym samym roku Brian Josephson teoretycznie przewiduje, że prąd może przepływać przez cienki izolator oddzielający dwa nadprzewodniki. Zjawisko to, które nosi jego imię ( efekt Josephsona ), jest wykorzystywane w kalmarach . Urządzenia te służą do bardzo precyzyjnych pomiarów h/e oraz, w połączeniu z kwantowym efektem Halla , do pomiaru stałej Plancka h . Josephson otrzyma Nagrodę Nobla w 1973 roku .
W 1979 roku Frank Steglich potwierdza obecność fazy nadprzewodzącej w CeCu 2 Si 2, materiał złożony z atomów magnetycznych , którego elektrony są tak skorelowane , że ich efektywna masa czasami osiąga setki razy więcej niż masa elektronu swobodnego . Te cechy są tak różne od cech konwencjonalnych nadprzewodników, że powstaje nowa klasa: ciężkie fermiony . Inne materiały z tej rodziny były już badane przez BT Matthiasa w latach 60. , ale bez przekonywania społeczności naukowej.
W 1986 r. Johannes Bednorz i Karl Müller odkryli nadprzewodnictwo w temperaturze -238,15 ° C w miedzianych materiałach konstrukcyjnych perowskitu na bazie lantanu ( Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki 1987 ). Odkrycie to ożywia poszukiwania materiałów o coraz wyższych temperaturach krytycznych.
Naukowcy bardzo szybko zauważają, że temperatura krytyczna tego materiału wzrasta wraz z ciśnieniem. Zastępując lantan itrem , czyli wytwarzając związek YBa 2 Cu 3 O 7, temperatura krytyczna wzrasta do -181,15 ° C , przekraczając temperaturę ciekłego azotu ( 77 K ). Jest to bardzo ważne, ponieważ ciekły azot jest wytwarzany przemysłowo przy niskich kosztach, a nawet może być wytwarzany lokalnie. Wiele nadprzewodzących miedzianów jest następnie produkowanych, ale mechanizmy tego nadprzewodnictwa pozostają do odkrycia. Niestety materiały te są ceramiką i nie dają się łatwo obrabiać. Ponadto łatwo tracą nadprzewodnictwo w silnych polach magnetycznych, dlatego ich zastosowanie jest od dawna spóźnione. Trwają badania mające na celu zmniejszenie czułości pola i zwiększenie temperatury krytycznej. Po temperaturze ciekłego azotu, drugi próg ekonomiczne (i psychologiczne) jest to, że z suchego lodu , 195 K ( -78,5 ° C ).
31 maja 2007 r., francusko-kanadyjski zespół fizyków publikuje w czasopiśmie Nature badanie, które według komunikatu prasowego CNRS umożliwiłoby znaczne pogłębienie naszej wiedzy na temat tych materiałów.
W styczniu 2008 roku zespół profesora Hosono z Tokyo Institute of Technology poinformował o istnieniu nowej klasy nadprzewodników: the pnictides typ ROFeAs (gdzie R oznacza metal ziem rzadkich) z domieszką fluoru na miejscu tlenu. Maksymalna temperatura krytyczna -245.15 °C . Odkrycie to jest zaskakujące ze względu na obecność żelaza w nadprzewodniku o tak wysokiej temperaturze krytycznej. WSierpień 2008, wydaje się, że panuje zgoda co do tego, że żelazo odgrywa główną rolę w nadprzewodnictwie tych materiałów. Opublikowano setki prac ukazujących entuzjazm społeczności naukowej wobec tego odkrycia. Pewna liczba grup zgłasza maksymalną temperaturę krytyczną rzędu -217,15 ° C w przypadku, gdy R jest niemagnetycznym pierwiastkiem ziem rzadkich. Koniecmaj 2008, grupa profesora Johrendta z Uniwersytetu Monachijskiego podaje nadprzewodnictwo w związku Ba 0,6 K 0,4 Fe 2 As 2, Z krytycznej temperatury T c około -235,15 ° C . Związek ten ma strukturę krystalograficzną bardzo zbliżoną do LaOFeAs. To odkrycie jest ważne, ponieważ pokazuje, że tlen nie odgrywa żadnej roli w mechanizmie nadprzewodnictwa tej nowej klasy nadprzewodników. Wydaje się, że w grę wchodzą właściwości magnetyczne, podobnie jak w przypadku miedzianów.
W 2014 roku jeden z nadprzewodników na bazie żelaza, odkryty w 2009 roku , FeSe, powrócił do wiadomości. Chociaż jego niska temperatura krytyczna (około 10 K) nie była wówczas uważana za bardzo interesującą, zdajemy sobie sprawę, że narastając cienką warstwę (o grubości jednego atomu) na podłożu SrTiO 3, osiągamy temperaturę krytyczną większą niż 100 K, a zatem wyższą niż w przypadku wszystkich innych nadprzewodników na bazie żelaza. Odkrycie to toruje drogę nadprzewodnikom cienkowarstwowym oraz syntezie złożonych materiałów.
W 2016 roku, krytyczna temperatura przekracza 200 K był obserwowany w wodorkiem siarki . Chociaż najwyraźniej przez przypadek, odkrycie to zostało w rzeczywistości przewidziane przez teoretyka Neila Ashcrofta już w 1968 roku na podstawie konwencjonalnego nadprzewodnictwa. Eksperyment wymagał jednak nałożenia bardzo wysokiego ciśnienia, przekraczającego 50 GPa .
Nadprzewodnik jest materiałem, który po schłodzeniu poniżej temperatury krytycznej T c , wykazuje dwa charakterystyczne właściwości, którymi są:
Istnienie tych cech, wspólnych dla wszystkich konwencjonalnych nadprzewodników, umożliwia zdefiniowanie nadprzewodnictwa jako wynikającego z przejścia fazowego . Badanie zmian właściwości fizycznych nadprzewodników podczas przechodzenia w stan nadprzewodnictwa potwierdza to i ustala, że przejście nadprzewodzące jest prawdziwym przejściem fazowym .
Zupełnie brak oporności elektrycznej nadprzewodnika, przez który przepływa ograniczony prąd, jest oczywiście ich najbardziej znaną właściwością i to właśnie nadało temu zjawisku nazwę. Teoretycznie prądy te mogą płynąć w nieskończoność. W praktyce prądy krążą już od ponad 25 lat (4 sierpnia 2020 r.) w grawimetrach nadprzewodzących , gdzie kula o masie 4 g lewituje w polu magnetycznym generowanym przez parę nadprzewodzących cewek.
Efekt Meissnera, nazwany na cześć Walthera Meissnera, który odkrył go w firmie Roberta Ochsenfelda w 1933 roku , polega na tym, że próbka poddana działaniu zewnętrznego pola magnetycznego wyrzuca go, gdy jest schłodzona poniżej swojej temperatury krytycznej, niezależnie od jej poprzedniego stanu.
Zgodnie z równaniami Maxwella , w każdym materiale o zerowej rezystancji pole magnetyczne musi pozostawać stałe w czasie. Jednak istnienie efektu Meissnera pokazuje, że nadprzewodnictwo to nie tylko istnienie nieskończonego przewodnictwa.
Eksperymentalnie efekt Meissnera pokazano przez schłodzenie próbki nadprzewodzącej poniżej jej temperatury krytycznej w obecności pola magnetycznego. Można wtedy wykazać, że pole magnetyczne wewnątrz próbki wynosi zero, podczas gdy dla hipotetycznego doskonałego przewodnika powinno być równe polu magnetycznemu przyłożonemu podczas przejścia.
Uwaga : niektóre nadprzewodniki, znane jako typ II , wykazują efekt Meissnera tylko przy niskich wartościach pola magnetycznego, podczas gdy pozostałe nadprzewodniki przy wyższych wartościach ( patrz poniżej ).
Teoria opracowana przez Ginzburga i Landaua w 1950 roku wprowadza parametr złożonego rzędu ψ ( r ) charakteryzujący nadprzewodnictwo w ogólnych ramach teorii Landaua przejść fazowych drugiego rzędu. Fizyczne znaczenie tego parametru jest proporcjonalne do gęstości elektronów nadprzewodzących ( tzn. elektronów tworzących pary Coopera). Punktem wyjścia teorii jest to, że gęstość energii swobodnej f s można rozwinąć w szereg parametru rzędu w pobliżu przejścia nadprzewodzącego w następującej postaci:
gdzie f n0 to gęstość energii swobodnej w stanie normalnym w polu zerowym, A to potencjał wektorowy, a B to lokalne natężenie indukcji magnetycznej.
Drugi i trzeci wyraz są rozwinięciem drugiego rzędu w | ψ | 2 , trzeci może być postrzegany jako niezmienny wskaźnik energii kinetycznej związany z „nadprzewodzącymi nośnikami ładunku”, o masie m * i ładunku q *, podczas gdy czwarty to po prostu gęstość energii magnetycznej.
W stanie nadprzewodzącym, przy braku pola i gradientów , poprzednie równanie staje się:
β jest koniecznie dodatnie, ponieważ w przeciwnym razie nie byłoby globalnego minimum dla energii swobodnej, a zatem nie byłoby stanu równowagi. Jeśli α> 0 , minimum ma miejsce dla ψ = 0 : materiał jest w stanie normalnym. Ciekawym przypadkiem jest więc ten, w którym α <0 . W stanie równowagi mamy więc:
Nadprzewodnik typu I to nadprzewodnik z pojedynczym krytycznym polem magnetycznym. Ma właściwość odpychania dowolnego zewnętrznego pola magnetycznego i występuje w dwóch stanach w zależności od jego temperatury krytycznej i krytycznego pola magnetycznego, a mianowicie:
Nadprzewodnik typu II to nadprzewodnik z dwoma krytycznymi polami magnetycznymi. Można go znaleźć w kilku stanach, w zależności od jego temperatury i krytycznych pól magnetycznych:
Teoria ta opiera się na sprzężeniu elektronów metalu w parach: pary Coopera . Tworzą pojedynczy, spójny stan o niższej energii niż normalny metal, z niesparowanymi elektronami.
Problem polega na wyjaśnieniu tego parowania biorąc pod uwagę odpychanie kulombowskie . Prosty model jakościowy polega na uwzględnieniu elektronów w metalu oddziałujących z siecią krystaliczną utworzoną przez jony dodatnie. Przyciągają elektrony i poruszają się nieznacznie (jony dodatnie mają dużą bezwładność ). Fizycy nadali tym naturalnym wibracjom atomowym nazwę fonony . To oddziaływanie między elektronami i fononami jest źródłem rezystywności i nadprzewodnictwa: przyciągane przez bardzo szybkie przejście elektronu ( 106 m/s ), jony poruszają się i tworzą lokalną strefę elektrycznie dodatnią. Biorąc pod uwagę bezwładność, strefa ta utrzymuje się podczas przejścia elektronu i może przyciągać inny elektron, który jest w ten sposób, poprzez fonon, sparowany z poprzednim, pomimo odpychania kulombowskiego. Mieszanie termiczne kończy się zniszczeniem tej kruchej równowagi, stąd szkodliwy wpływ temperatury na nadprzewodnictwo.
Osobliwością par Coopera jest to, że ich wewnętrzny moment magnetyczny (zwany także spinem ) wynosi zero. Rzeczywiście, dwa sparowane elektrony mają ten sam spin (1/2, charakterystyczny spin fermionów ), ale o przeciwnym znaku. Jest to warunek, aby energia pary była mniejsza niż suma energii dwóch elektronów. Następnie tworzą całość, która zachowuje się jak bozon (cała cząstka spinowa podlegająca statystyce Bosego-Einsteina): pary poruszają się bez napotkania oporu, stąd nadprzewodnictwo.
Różnica energii między stanem nadprzewodzącym a stanem normalnym nazywana jest przerwą energetyczną. Jest to energia potrzebna do przejścia ze stanu nadprzewodnictwa do stanu normalnego poprzez rozbicie par Coopera. Energia ta dąży do zera, gdy temperatura zbliża się do temperatury krytycznej.
Oddziaływanie elektron-fonon odgrywa zasadniczą rolę w parowaniu elektronów, a tym samym w nadprzewodnictwie.
Teoria ta została opracowana przed odkryciem krytycznych materiałów nadprzewodzących wysokotemperaturowych. Powstaje zatem pytanie: czy nadprzewodniki o wysokiej T c są sprzeczne z teorią BCS? Teoretycy nie są zgodni w tym temacie. Niektórzy uważają, że sprzężenie między elektronami nie wynika już z sieci (a więc z fononami), ale z innych oddziaływań (elektronicznych, magnetycznych, obu,…). Inne oferują zupełnie nowe modele. Temat wciąż otwarty...
Niektórzy fizycy definiują nadprzewodniki konwencjonalne jako te, które dobrze opisuje teoria BCS. Inni, bardziej szczegółowo, definiują je jako posiadające mechanizm tworzenia par Coopera, który obejmuje interakcję między elektronami i fononami.
Niedawno (2015) udało nam się znaleźć konwencjonalne nadprzewodniki o wysokiej temperaturze krytycznej (203 K lub -70 ° C), ale pod bardzo wysokim ciśnieniu rzędu miliona barów .
Nadprzewodniki niekonwencjonalne (czasami nazywane „egzotycznymi” lub „nowymi nadprzewodnikami”) odnoszą się do materiałów często sztucznie syntetyzowanych w laboratorium, których nie można opisać teorią BCS lub których pochodzenie nadprzewodnictwa nie jest jeszcze teoretycznie poznane. Różnią się one od konwencjonalnych nadprzewodników w szczególności mechanizmem powstawania par elektronowych, znanych jako pary Coopera, odpowiedzialnych za nadprzewodnictwo.
Kilka rodzin materiałów są uważane niekonwencjonalne Fermiony ciężkich , organiczne lub molekularnym nadprzewodników ( sole Bechgaard ), miedzianów lub pnictures . W 2017 roku monokryształy nadprzewodzącego bizmutu zademonstrowano poniżej 0,53 mK w ciśnieniu pokojowym, z krytycznym polem magnetycznym oszacowanym na 5,2 mT do -273,15 °C . Nadprzewodnictwa bizmutu nie da się wytłumaczyć teorią BCS, ponieważ adiabatyczne przybliżenie nie ma do niego zastosowania i stwarza problem nadprzewodnictwa materiałów o małej gęstości nośnika i określonej strukturze pasmowej .
Niektóre rodziny materiałów wykazują nadprzewodnictwo w wyższej temperaturze niż stopy lub metale, ale ich pochodzenie wyjaśnia teoria BCS : fulereny typu AnC60 (gdzie A jest zasadą ), których temperatura krytyczna wzrasta do 33 K , lub diborek magnezu MgB 2którego temperatura krytyczna wzrasta do 39 K . Nie są więc w ścisłym sensie nadprzewodnikami niekonwencjonalnymi, ale nadal różnią się od nadprzewodników konwencjonalnych.
Do tej pory najlepiej zbadanymi niekonwencjonalnymi nadprzewodnikami są miedziany, odkryte przez Johannesa Georga Bednorza i Karla Alexandra Müllera w 1985 roku . Są to tlenki ceramiczne składające się z mieszanych tlenków baru, lantanu i miedzi o temperaturze krytycznej około 35 K ( -238 ° C ). Temperatura ta była znacznie wyższa niż najwyższe znane wówczas temperatury krytyczne ( -250,15 ° C ); ta nowa rodzina materiałów została nazwana nadprzewodnikiem wysokotemperaturowym . Bednorz i Müller otrzymali za swoje odkrycie w 1987 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki .
Od tego czasu zsyntetyzowano wiele innych nadprzewodników wysokotemperaturowych. Już w 1987 roku nadprzewodnictwo osiągnięto powyżej −196,15 °C , czyli temperatury wrzenia azotu , co jest bardzo ważne dla zastosowań technologicznych, ponieważ ciekły azot jest znacznie tańszy niż hel , który do tej pory musiał być używany. Przykład: YBa 2 Cu 3 O 7T C = -181,15 ° C .
Rekordowa temperatura krytyczna wynosi około 133 K (-140 ° C) przy normalnym ciśnieniu, a nieco wyższe temperatury można osiągnąć przy wyższych ciśnieniach. Obecny stan badań nie pozwala stwierdzić, czy pewnego dnia uda nam się uzyskać materiał oparty na nadprzewodzącym miedzianie w temperaturze pokojowej.
Podobnym mechanizmom przypisuje się właściwość nadciekłego helu do przewodzenia ciepła bez strat; mówi się, że jest nadprzewodnikiem termicznym .
W czerwiec 2019zespół badaczy z New York University publikuje w przedpublikacyjnym czasopiśmie naukowym Arxiv artykuł , w którym ogłaszają, że odkryli nową formę nadprzewodnictwa, zwaną „topologiczną”. Ten nowy rozwój teorii jest ściśle związany z cząstkami Majorany i może pozwolić na znaczny postęp w możliwościach przechowywania informacji i mocy obliczeniowej mediów komputerowych.
Produkcja elektromagnesów nadprzewodzących jest z pewnością najczęstszym zastosowaniem nadprzewodnictwa. Znajdują się na polach:
Nadprzewodzące cewki jest podłączony do sieci za pomocą odwracalnego konwertera AC-DC. Cewka zasilana jest z prostownika, który umożliwia magazynowanie energii w postaci ½ L × I 2 . W razie potrzeby (awaria linii) energia zmagazynowana w cewce nadprzewodzącej jest przekazywana z powrotem do instalacji za pośrednictwem falownika. We Francji największe prototypy (kilkaset kJ) zostały wyprodukowane w Grenoble , w dziale Skondensowana Materia - Niskie Temperatury Instytutu Néel z pomocą partnerów, takich jak DGA i Nexans.
Własność lewitacji nadprzewodników może być również wykorzystana do magazynowania energii . Tak jest w przypadku akumulatorów wirującej energii kinetycznej ( koło zamachowe , w języku angielskim koło zamachowe ). W tych zastosowaniach koło magnetyczne jest lewitowane nad nadprzewodnikiem. Koło jest obracane (najlepiej w próżni, aby zminimalizować tarcie) za pomocą silnika (faza ładowania). Gdy koło jest „obciążone”, zachowuje energię w postaci obrotowej energii kinetycznej, z niewielkimi stratami, ponieważ nie ma prawie żadnego tarcia. Energię można odzyskać, hamując koło.
SMES ( Superconducting Magnet Energy Storage ) i Flywheel to zatem dwa rozwiązania technologiczne, które mogłyby zastąpić tradycyjną baterię , choć utrzymywanie kriogenicznych temperatur jest energochłonne.
Aby osiągnąć kontrolowaną fuzję termojądrową: tokamaki lub stellaratory to toroidalne obudowy, w których plazma jest zamknięta pod wpływem znacznych ciśnień i temperatur.
Nadprzewodnictwo jest również wykorzystywane do wytwarzania wnęk przyspieszających o częstotliwości radiowej, które umożliwiają przechowywanie i wzmacnianie pola elektrycznego służącego do przyspieszania wiązki naładowanych cząstek. Aby móc uzyskać pola przyspieszające rzędu 45 MV/m (prawie 100 MV/m przy powierzchni), do wnęki musi zostać wstrzyknięta fala o częstotliwości radiowej . Gęstości prądu rzędu 10 10 do 10 12 A/m 2 krążą po wewnętrznej powierzchni wnęki i powodują nagrzewanie się ścian. Przy normalnym przewodniku nie moglibyśmy uzyskać tak wysokich pól w sposób ciągły: ściany zaczęłyby się topić. W częstotliwości radiowej rezystancja nadprzewodnika nie jest ściśle zerowa, ale pozostaje około 100 000 razy mniejsza niż miedzi, stąd główne zainteresowanie tą technologią w zakresie wnęk przyspieszających. Ale to nie jedyna zaleta: zastosowanie wnęk nadprzewodzących wpływa również na konstrukcję akceleratora i jakość otrzymywanych wiązek. Na przykład ich bardziej otwarte kształty ułatwiają wyrównanie belki; kiedy trzeba to zrobić przez kilkadziesiąt kilometrów, staje się to poważnym argumentem.
Materiał to sieć atomów. Jeśli zamiast atomów połączymy w sieć małe obwody nadprzewodnikowe, efektem końcowym jest Metamateriał , którego właściwości są zaskakujące.
W wyniku prac prowadzonych przez Ado Jorio nad rozpraszaniem światła w różnych materiałach (na Federalnym Uniwersytecie Minas Gerais w Belo Horizonte w Brazylii) zaobserwowano zachowanie podobne do nadprzewodnictwa z fotonami, co sugeruje możliwy związek między rozpraszaniem światła, skondensowanym. fizyka materii i optyka kwantowa . W tym przypadku zamiast „ par Coopera ” elektronów zaobserwowano pary fotonów (w temperaturze pokojowej, gdy światło przechodzi przez szereg przezroczystych cieczy, w tym wodę ). Trudno je zaobserwować, ale według André Saraiva byłoby to częste zjawisko. Foton może tracić energię na atomy materiału, który wibruje. Jeśli drugi foton natychmiast pochłonie ten pakiet energii wibracyjnej, dwa fotony zostają pośrednio „połączone”, jeden zyskuje energię traconą przez drugi. Stopień równoległości tego zjawiska z nadprzewodnictwem i jego wirtualnymi fononami nie został jeszcze ustalony. A ponieważ fotony oddziałują ze swoim otoczeniem w znacznie mniejszym stopniu niż elektrony, to zjawisko powinno a priori mieć bardziej dyskretne efekty niż w przypadku elektronów; szybko dała początek spekulacjom. Rzeczywiście, zgodnie z modelem matematycznym opracowanym przez naukowców z UFRJ, kiedy fotony oddziałują w ten sposób, ich zachowanie byłoby identyczne z zachowaniem par Coopera w nadprzewodnikach. Dowody na istnienie tych par uzyskano analizując efekty impulsów laserowych w temperaturze pokojowej w wodzie i siedmiu innych przezroczystych cieczach. Pary te są dziesięciokrotnie liczniejsze, niż wynikałoby to z przypadku.
Pozostaje jeszcze potwierdzić to zjawisko poprzez odtworzenie eksperymentu i porównanie go z wiedzą dostępną w dziedzinie optyki kwantowej i fizyki materii skondensowanej.
Jeśli istnieje potwierdzenie, możliwe stałoby się wytworzenie „ splątanych ” fotonów w temperaturze pokojowej i na przykład z wody. Te ostatnie mogą być może w pewnych okolicznościach tworzyć przetężenia umożliwiające lepsze przechodzenie światła przez określone materiały (na przykład na korzyść wydajniejszej komunikacji kwantowej w komputerach przyszłości). Mogłyby wówczas być również wykorzystane do „ujawnienia obecnie niewidocznych właściwości materiału” oraz do różnych zastosowań (w tym kryptografii kwantowej i komputerowej).